Effect of ultrasound on extraction of heavy metals from sewage sludge in the context of a potential ecological risk assessment

• Autorzy: Tytła Malwina , Słaby Krzysztof , Widziewicz-Rzońca Kamila , Miszczak Ewa , Kernert Joanna , Klyta Justyna

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0016.0221

Warianty tytułu

PL

Wpływ ultradźwięków na ekstrakcję metali ciężkich z osadów ściekowych w kontekście oceny potencjalnego ryzyka ekologicznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the research was to investigate the effect of ultrasound waves on the recovery of heavy metals (HMs) from sewage sludge. For this purpose, we conducted a three-step sequential extraction process proposed by the Community Bureau of Reference (BCR; presently the Standards, Measurements and Testing Programme). In the experiment use was made of certified reference material ERM-CC144 SEWAGE SLUDGE (Joint Research Centre; JRC). The content of heavy metals (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, and Zn) in certified material was determined by atomic absorption spectrometry using the Avio 200 ICP-OES apparatus (PerkinElmer Inc.). To reduce the sequential extraction time, ultrasound treatment was used instead of long hours of shaking. Sonication was conducted in an ultrasonic bath (Sonic-5; Polsonic). The sonication time was set at 20, 40 and 70 minutes. The frequency, power and temperature during the ultrasound treatment were kept constant. The recovery values of heavy metals obtained by the modified sequential extraction method were at similar levels to those achieved by the conventional one. Moreover, it has also been shown that after only 20 minutes of sonication, the recovery values can be obtained similarly as for the conventional method. In order to check whether the ultrasound waves have a significant impact on the distribution of heavy metals in the chemical fractions of sewage sludge, the percentage share for each element was calculated and the potential ecological risk analysis was conducted. This was possible thanks to the fact that the material used for production of ERM-CC144 (JRC) is sewage sludge of domestic origin. The obtained results revealed that ultrasound treatment does not significantly influence the distribution of analysed heavy metals in the chemical fractions of sewage sludge, with one exception, i.e., Zn. The assessment of the ecological risk was performed using Risk Assessment Code (RAC) index, which includes the content of metals in the most mobile fraction, i.e., bound to carbonates. The calculated values of RAC indicated that Zn posed the highest ecological risk. However, it can be also confirmed that the application of ultrasound treatment in the sequential extraction procedure does not have a significant impact on the interpretation of results of the ecological risk assessment. What is more, it confirms the legitimacy of using the discussed modification in the sequential extraction of heavy metals from sewage sludge.

PL

Celem pracy było zbadanie wpływu oddziaływania fali ultradźwiękowych na wielkość odzysku metali ciężkich z osadów ściekowych. W tym celu przeprowadzono proces trzystopniowej ekstrakcji sekwencyjnej zaproponowanej przez Community Bureau of Reference (BCR; aktualnie Standards, Measurements and Testing Programme). W badaniach wykorzystano certyfikowany materiał odniesienia ERM-CC144 SEWAGE SLUDGE (Joint Research Centre; JRC). Zawartość metali ciężkich (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn) oznaczono przy użyciu spektrometru absorpcji atomowej Avio 200 ICP-OES (PerkinElmer Inc.). Aby skrócić czas ekstrakcji sekwencyjnej, w miejsce wielogodzinnego wytrząsania zastosowano obróbkę ultradźwiękami. Proces nadźwiękawiania prowadzono w łaźni ultradźwiękowej (Sonic-5; Polsonic). Czas nadźwiękawiania wynosił: 20, 40 i 70 minut. Częstotliwość, moc oraz temperaturę podczas obróbki ultradźwiękowej utrzymywano na stałym poziomie. Wartości odzysków dla metali ciężkich uzyskane z zastosowaniem zmodyfikowanej metody ekstrakcji sekwencyjnej były zbliżone do tych otrzymanych dzięki metodzie konwencjonalnej. Ponadto wykazano również, że już po 20 minutach nadźwiękawiania można uzyskać wartości odzysków jak dla metody konwencjonalnej. W celu zbadania, czy fale ultradźwiękowe wpływają istotnie na zawartość metali ciężkich w poszczególnych frakcjach chemicznych osadów ściekowych, obliczono udział procentowy dla każdego z pierwiastków, a następnie przeprowadzono ocenę potencjalnego ryzyka ekologicznego. Ocena ta była możliwa dzięki temu, że w skład materiału ERM-CC144 (JRC) wchodzą osady ściekowe pochodzenia komunalnego. Uzyskane wyniki wskazują, że obróbka ultradźwiękowa nie wpływa istotnie na udział analizowanych metali ciężkich we frakcjach chemicznych osadów ściekowych, za wyjątkiem cynku. Ocenę ryzyka ekologicznego przeprowadzono przy pomocy wskaźnika Risk Assessment Code (RAC), który uwzględnia zawartość metali w najbardziej mobilnej frakcji, czyli tej związanej z węglanami. Obliczone wartości RAC wskazują, że największe ryzyko ekologiczne powoduje cynk. Można również stwierdzić, że zastosowanie ultradźwięków w procedurze ekstrakcji sekwencyjnej nie wpływa istotnie na interpretację wyników oceny ryzyka ekologicznego. Jednocześnie potwierdza to zasadność stosowania omawianej modyfikacji w procesie ekstrakcji sekwencyjnej metali ciężkich z osadów ściekowych.

Słowa kluczowe

EN

sewage sludge; heavy metals; sequential extraction; ultrasound; ecological risk

PL

osady ściekowe; metale ciężkie; ekstrakcja sekwencyjna; ultradźwięki; ryzyko ekologiczne

• Wydawca: Szkoła Główna Służby Pożarniczej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe SGSP / Szkoła Główna Służby Pożarniczej
• Rocznik: 2022
• Tom: Nr 83
• Strony: 19--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Tytła Malwina

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0003-3059-4471

autor

Słaby Krzysztof

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0002-6744-2212

autor

Widziewicz-Rzońca Kamila

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0001-5332-0583

autor

Miszczak Ewa

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0002-1726-3486

autor

Kernert Joanna

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0003-2328-4379

autor

Klyta Justyna

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0002-8762-3440

Bibliografia

• 1. Cantinho P., Matos M., Trancoso M.A., Correia dos Santos M.M., Behaviour and fate of metals in urban wastewater treatment plants: A review, “International Journal of Environmental Science and Technology” 2016, 13, pp. 359–386.
• 2. Tytła M., Kostecki M., Ecological risk assessment of metals and metalloid in bottom sediments of water reservoir located in the key anthropogenic “hot spot” area (Poland), “Environmental Earth Sciences” 2019, 78, p. 179.
• 3. Turek A., Wieczorek K., Wolf W.M., Digestion procedure and determination of heavy metals in sewage sludge – An analytical problem, “Sustainability” 2019, 11(6), p. 1753.
• 4. Lin X., Li S., Wei Z., Chen Y., Hei L., Wu Q.T., Indirect application of sludge for recycling in agriculture to minimize heavy metal contamination of soil, “Resources, Conservation and Recycling” 2021, 166, p. 105358.
• 5. Tytła M., Widziewicz-Rzońca K., Heavy metals in municipal sewage sludge – a brief characteristic of potential threats and methods used to assess the ecological risk, “Environment Earth and Ecology” 2021, 5(1), pp. 18–25.
• 6. Tytła M., Identification of the chemical forms of heavy metals in municipal sewage sludge as a critical element of ecological risk assessment in terms of its agricultural or natural use, “International Journal of Environmental Research and Public Health” 2020, 17(13), p. 4640.
• 7. Yakamercan E., Aygün A., Ecological risk assessment of domestic sewage sludge: a case study, “Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences” 2021, 39(4), pp. 422–433.
• 8. Duan B., Zhang W., Zheng H., Wu C., Zhang Q., Bu Y., Disposal Situation of Sewage Sludge from Municipal Wastewater Treatment Plants (WWTPs) and Assessment of the Ecological Risk of Heavy Metals for Its Land Use in Shanxi, China, “International Journal of Environmental Research and Public Health” 2018, 14(7), p. 823.
• 9. Zdeb M., Pawłowska M., Pacan J., The Influence of anaerobic digestion on selected heavy metals fractionation in sewage sludge, “Journal of Ecological Engineering” 2020, 21(3), pp. 27–35.
• 10. Council Directive of 12th June 1986 on the Protection of the Environment, and in Particular of the Soil, When Sewage Sludge Is Used in Agriculture (86/278/EEC). https:// eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/PDF/?uri=CELEX:31986L0278&from=EN (accessed on 20 April 2022).
• 11. Tytła M., Widziewicz K., Zielewicz Z., Heavy metals and its chemical speciation in sewage sludge at different stages of processing, “Environmental Technology” 2016, 37(7), pp. 899–908.
• 12. Tytła M., Assessment of heavy metal pollution and potential ecological risk in sewage sludge from municipal wastewater treatment plant located in the most industrialized region in Poland – Case study, “International Journal of Environmental Research and Public Health” 2019, 16(13), p. 2430.
• 13. Kowalik R., Latosińska J., Gawdzik J., Risk Analysis of Heavy Metal Accumulation from Sewage Sludge of Selected Wastewater Treatment Plants in Poland, “Water” 2021, 13(16), p. 2070.
• 14. Tessier A., Campbell P.G.C., Bisson M., Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals, “Analytical Chemistry” 1979, 51(7), pp. 844–851.
• 15. Kazi T.G., Jamali M.K., Siddiqui A., Kazi G.H., Arain M.B., Afridi H.I., An ultrasonic assisted extraction method to release heavy metals from untreated sewage sludge samples, “Chemosphere” 2006, 63(3), pp. 411–420.
• 16. Leśniewska B., Krymska M., Świerad E., Wiater J., An ultrasound-assisted procedure for fast screening of mobile fractions of Cd, Pb and Ni in soil. Insight into method optimization and validation, “Environmental Science and Pollution Research” 2016, 23(24), pp. 25093–25104.
• 17. Uthirakrishnan U., Sharmila V.G., Merrylin J., Kumar S.A., Sweetly Dharmadhas J., Varjani S., Banu J.R., Current advances and future outlook on pretreatment techniques to enhance biosolids disintegration and anaerobic digestion: A critical review. “Chemosphere” 2022, 288(2), p. 132553.
• 18. Perin G., Craboledda L., Lucchese M., Cirillo R., Dotta L., Zanette M.L., Orio A.A., Heavy metal speciation in the sediments of Northern Adriatic Sea: A new approach for environmental toxicity determination [in:] Lakkas T.D. (ed.) Heavy Metal in the Environment, vol. 2, CEP Consultants Limited: Edinburgh, Scotland, 1985; p. 454–456.
• 19. Li J., Luo G., Gao J., Yuan S., Du J., Wang Z., Quantitative evaluation of potential ecological risk of heavy metals in sewage sludge from three wastewater treatment plants in main urban area of Wuxi, China, “Chemistry and Ecology” 2015, 31(3), p. 235–251.
• 20. Ure A.M., Quevauviller P., Mantau H., Griepink B., Speciation of heavy metals in soils and sediments. An account of the improvement and harmonization of extraction techniques undertaken under the auspices of the BCR of the Commission of the European Communities, “International Journal of Environmental Analytical Chemistry” 1993, 51, 135–151.
• 21. Álvarez E.A., Callejón Mochón M., Jiménez Sánchez J.C., Ternero Rodríguez M., Heavy metal extractable forms in sludge from wastewater treatment plants, “Chemosphere” 2002, 47(7), pp. 765–775.
• 22. Gwebu S., Tavengwa N.T., Klink M.J., Mtunzi F.M., Modise S.J., Pakade V.E., Quantification of Cd, Cu, Pb and Zn from sewage sludge by modified-BCR and ultrasound assisted-modified BCR sequential extraction methods, “African Journal of Pure and Applied Chemistry” 2017, 11(2), pp. 9–18.
• 23. Yang T., Huang H., Lai F., Pollution hazards of heavy metals in sewage sludge from four wastewater treatment plants in Nanchang, China, “Transactions of Nonferrous Metals Society of China” 2017, 27(10), pp. 2249–2259.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).