Ocena biodostępności metali ciężkich w osadach ściekowych z wiejskiej oczyszczalni ścieków i kompostach w aspekcie przyrodniczego wykorzystania

• Autorzy: Rajmund A. , Bożym M.

Warianty tytułu

EN

Assessment of the bioavailability of heavy metals in sewage sludge from rural area and composts, in the aspect of their natural use

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Właściwym kierunkiem zagospodarowania osadów ściekowych pochodzących z małych wiejskich oczyszczalni ścieków powinno być ich przyrodnicze wykorzystanie, ponieważ osady te zazwyczaj charakteryzują się dużą wartością nawozową oraz niską zawartością metali ciężkich. Ograniczeniem w ich przyrodniczym wykorzystaniu może być występowanie mikroorganizmów chorobotwórczych oraz jaj helmintów. Po odpowiedniej przeróbce - stabilizacji i higienizacji - mogą być stosowane. W Polsce normowane są jedynie całkowite zawartości metali w osadach wykorzystywanych do celów przyrodniczych. Udział frakcji mobilnych jest pomijany. W przypadku gleb do oceny biodostępności metali stosuje się szybki test z 1 M HCl (metoda Rinkisa). Celem pracy było określenie zawartości przyswajalnych form metali w osadach pochodzących z wiejskiej oczyszczalni ścieków, zlokalizowanej w Dobrzeniu, woj. dolnośląskie. Część osadów poddano kompostowaniu z materiałem strukturotwórczym. Osady i komposty stosowano do nawożenia roślin energetycznych w wieloletnim doświadczeniu lizymetrycznym, prowadzonym na terenie Dolnośląskiego Ośrodka Badawczego we Wrocławiu. Próbki osadów i kompostów ekstrahowano roztworem 1 M HCl oraz czynnikiem chelatującym (0,05 M Na 2 EDTA). Wyniki ekstrakcji porównano z zawartością ogólną w celu określenia stopnia wymywania metali. Zbadano także korelację między frakcjami a zawartością ogólną metali. Stwierdzono, że 1 M HCl ekstrahował więcej metali z osadów i kompostów niż odczynnik chelatujący. Potwierdzono skuteczność stosowania testu z 1 M HCl do określania mobilności metali w próbkach osadów i kompostów.

EN

An appropriate utilization of sewage sludge from small, rural waste-water treatment plants should be used in agriculture, since these wastes are usually characterized by a high fertilizer value and low heavy metal content. Natural use of sludges may be limited by the presence of pathogenic microorganisms and eggs of helminths. However, after such treatment as: stabilisation and hygenisation, it can be used as fertilizer. To small waste-water treatment plants there flows mainly domestic waste water. Thus, there is a slight risk of sewage sludge contamination by heavy metals, because mainly industrial wastewater flows determine its concentration. According to Polish regulations only total content of metals in sewage sludge used in agriculture is limited. Mobile fraction content of metals in those wastes and soil is omitted. Simple acid extractions (1 M HCl, Rinkis test) can be classified amongst methods simulating bioavailability of metals in soils, and used in Polish Agricultural-Chemical Stations. There are many studies testing the mobility of metals in soils, sediments and sewage sludge. For sewage sludge, a four-step extraction procedure is frequently used, which is recommended by the EC Standards, Measurement and Testing Programme (SM&T, previous BCR - Community Bureau of Reference). Sequential extraction is time-consuming and requires many specific reagents. For one-step (single-step) extraction there is needed only one appropriately selected extraction solvent. That method is most often used for soil analysis. Single-extraction tests are commonly used to study the bioavailability and mobility of metals in soils. In single extractions, a large spectrum of extractants have been used to mobilize of metals, e.g. deionized water, buffered and unbuffered salt solutions, chelating agents like EDTA or DTPA, inorganic acid solution (e.g. HCl, HNO 3 ) or organic acid solutions (e.g. acetic acid, citric acid). Normally for extraction of potentially bioavailable forms of metals in soil HCl or EDTA extracts are commonly used, especially for determination of extractable metal content of soils, sediments and sewage sludges. The aim of the study was to determine the content of digestible forms of metals in sewage sludge from rural waste-water treatment plants and composts. Sediments came from mechanicalbiological treatment plant with a capacity of up to 160 m³/d, located in Dobrzeń, Lower Silesian. A part of sewage sludge were composted with structure material (sawdust, grass). Sewage sludges and composts were used as fertilizer for the energy crops, in long-term lysimeter experiment, conducted in Lower Silesian Research Centre in Wroclaw, Institute of Technology and Life Sciences. Samples of sewage sludge and compost were extracted with a 1 M HCl solution (Rinkis’ method) and a chelating reagent (Na 2 EDTA). Results of extraction were compared with total content, in order to determine the degree of elution of metals. The correlation coefficient (r; α ≤ 0.05) between metal concentration in each fractions to the total metal content were also examined. It was found that 1 M HCl extracted more metals from the sewage sludge and composts than the chelating agent (EDTA). The efficiency of the test with 1 M HCl to determine the mobility of metals in sewage sludge and compost was confirmed.

Słowa kluczowe

PL

osady ściekowe; kompost; ekstrakcja jednostopniowa; metale ciężkie

EN

sewage sludge; compost; one-step extraction; heavy metals

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 17, nr 2
• Strony: 231--242
• Opis fizyczny: Bibliogr. 46 poz.

Twórcy

autor

Rajmund A.

• Instytut Technologiczno-Przyrodniczy, Dolnośląski Ośrodek Badawczy we Wrocławiu, ul. gen. Z. Berlinga 7, 51-209 Wrocław

autor

Bożym M.

• Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Środowiska, ul. Mikołajczyka 5, 45-271 Opole

Bibliografia

• [1] Bień J., Neczaj E., Worwąg M., Grosser A., Nowak D., Milczarek M., Janik M., Kierunki zagospodarowania osadów w Polsce po roku 2013, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2011, 14(4), 375-384.
• [2] Uchwała Nr 217 Rady Ministrów z dnia 24 grudnia 2010 r. w sprawie „Krajowego planu gospodarki odpadami 2014”, Monitor Polski, Nr 101, poz. 1183.
• [3] Bień J., Wystalska K., Problemy gospodarki osadowej, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2008, 11(1), 5-11.
• [4] Bożym M., Wymagania jakościowe stawiane osadom ściekowym spalanym w krajowych cementowniach, Chemik 2013, 67(10), 1019-1024.
• [5] Czyżyk F., Rajmund A., Influence of agricultural utilization of sludge and compost from rural wastewater treatment plant on nitrogen passes in light soil, Polish Journal of Chemical Technology 16, 1, 1-6, 10.2478/pjct-2014-0001.
• [6] Fijałkowski K., Kacprzak M., Wpływ dodatku osadów ściekowych na wybrane fizyczno-chemiczne i mikrobiologiczne parametry gleb zdegradowanych, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2009, 12(2), 133-141.
• [7] Nowak M., Kacprzak M., Grobelak A., Osady ściekowe jako substytut glebowy w procesach remediacji i rekultywacji terenów skażonych metalami ciężkimi, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2010, 13(2), 121-131.
• [8] Sikorski M., Bauman-Kaszubska H., Wybrane problemy gospodarki osadami ściekowymi na terenach wiejskich, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2008, 11(3), 343-353.
• [9] Ścisłowska M., Wolny L., Charakterystyka wybranych gminnych oczyszczalni ścieków, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2010, 13(2), 133-146.
• [10] Rajmund A., Bożym M., Ocena zawartości metali ciężkich w wiejskich osadach ściekowych i kompostach w aspekcie ich przyrodniczego wykorzystania, Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie 2013, 13(4) 103-113.
• [11] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 13 lipca 2010 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych, DzU 2010, Nr 137, poz. 924.
• [12] Latosińska J., Gawdzik J., Mobilność metali ciężkich w komunalnych osadach ściekowych z przykładowych oczyszczalni ścieków Polski Centralnej, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych 2011, 50, 20-32.
• [13] Ure A.M., Quevauviller P., Muntau 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.
• [14] Szumska M., Gworek B., Metody oznaczania frakcji metali ciężkich w osadach ściekowych, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych 2009, 41, 42-63.
• [15] Ociepa E., Lach J., Ociepa A., Wpływ nawożenia gleb węglem brunatnym i preparatami wykonanymi na bazie węgla brunatnego na zmianę rozpuszczalności ołowiu i cynku w glebach, Nauka Przyroda Technologie 2011, 5(4), 1-8.
• [16] Ociepa E., Ociepa-Kubicka A., Okoniewska E., Lach J., Immobilizacja cynku i kadmu w glebach w wyniku stosowania substratów odpadowych, Rocznik Ochrona Środowiska 2013, 15, 1772-1786.
• [17] Karczewska A., Kabała C., Metodyka analiz laboratoryjnych gleb i roślin, Metodyka obowiązująca w laboratoriach Zakładu Ochrony Środowiska INGOŚ, Wrocław 2008.
• [18] Houba V.J.G., Lexmond T.M., Novozamsky I., van der Lee J.J., State of the art and future developments in soil analysis for bioavailability assessment, Science of the Total Environment 1996, 178(1-3), 21-28.
• [19] Hani H., Gupta S., Chemical methods for the biological characterization of metal in sludge and soil, Commission of the European Communities, Report 10361, 1996, 157-167.
• [20] Norma szwajcarska nr 814.12: Verordnung über Schadstoffgehalt im Boden (VSBo), Swiss ordinance on pollutants in soils, Publ. Eidg. Drucksachen und Materialzentrale (EDMZ), 1986, Bern, Switzerland.
• [21] Norma niemiecka nr DINV 19730: Deutsches Institut für Normung (DIN), Bodenbeschaffenheit. Extraktion von Spurenelemente mit Ammonium-Nitratlösung. Boden-Chemische Bodenuntersuchungsverfahren, 1995, Berlin, Germany.
• [22] Meers E., Du Laing G., Unamuno V., Ruttens A., Vangronsveld J., Tack F.M.G., Verloo M.G., Comparison of cadmium extractability from soils by commonly used single extraction protocols, Geoderma 2007, 141, 247-259.
• [23] Dąbrowska L., Porównanie procedur stosowanych do analizy specjacyjnej metali ciężkich w osadach ściekowych, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2008, 11(1), 105-113.
• [24] Gawdzik J., Mobilność metali ciężkich w osadach ściekowych na przykładzie wybranej oczyszczalni ścieków, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2012, 15(1), 5-15.
• [25] Rao C.R.M., Sahuquillo A., Lopez Sanchez J.F., A review of the different methods applied in environmental geochemistry for single and sequential extraction of trace elements in soils and related materials, Water Air Soil Pollution 2008, 189, 291-333.
• [26] Świetlik R., Trojanowska M., Metody frakcjonowania chemicznego stosowane w badaniach środowiskowych, Monitoring Środowiska Przyrodniczego 2008, 9, 29-36.
• [27] Khanmirzaei A., Bazargan K., Moezzi A.A., Richards B.K., Shahbazi K., Single and sequential extraction of cadmium in some highly calcareous soils of southwestern Iran, Journal of Soil Science and Plant Nutrition 2013, 13(1), 153-164.
• [28] Anju M., Banerjee D.K., Associations of cadmium, zinc, and lead in soils from a lead and zinc mining area as studied by single and sequential extractions, Environmental Monitoring and Assessment 2011, 176, 67-85.
• [29] Ure A.M., Single extraction schemes for soil analysis and related applications, The Science of the Total Environment 1996, 178, 3-10.
• [30] Diatta J.B., Grzebisz W., Evaluation of chelating agents as heavy metals extractants in agricultural soils under threat of contamination, Polish Journal of Environmental Studies 1999, 8(3), 149-154.
• [31] Chen S., Sun L., Chao L., Zhou Q., Sun T., Estimation of lead bioavailability in smeltercontaminated soils by single and sequential extraction procedure, Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology 2009, 82, 43-47.
• [32] Smoleń S., Sady W., Ledwożyw-Smoleń I., Quantitative relations between the content of selected trace elements in soil extracted with 0.03 M CH 3 COOH or 1 M HCl and its total concentration in lettuce and spinach, Acta Scientiarum Polonorum, Hortorum Cultus 2010, 9(4), 13-23.
• [33] Chojnacka K., Chojnacki A., Gorecka H., Gorecki H., Bioavailability of heavy metals from polluted soils to plants, Science of the Total Environment 2005, 337, 175-182.
• [34] Quevauviller P., Rauret R., Rubio G., Lopez-Sanchez J.F., Ure A.M., Bacon H., Muntau J.R., Certified reference materials for the quality control of EDTA - and acetic acid-extractable contents of trace elements in sewage sludge amended soils (CRMs 483 and 484), Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry 1997, 357, 611-618.
• [35] Fangueiro D., Bermond A., Santos E., Carapuca H., Duarte A., Heavy metal mobility assessment in sediments based on a kinetic approach of the EDTA extractions: search for optimal experimental conditions, Analytica Chimica Acta 2002, 459, 245-256.
• [36] Archer F.E., Hodgson I.H., Total and extractable trace element contents of soils in England and Wales, Journal Soil Science 1987, 38, 421-432.
• [37] Dąbrowska L., Specjacja metali ciężkich w osadach ściekowych stabilizowanych procesem fermentacji termofilowo-mezofilowej, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2009, 12(4), 271-280.
• [38] Dąbrowska L., Wpływ zwiększonego stężenia jonów miedzi i ołowiu na proces fermentacji osadów ściekowych, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2010, 13(3), 211-220.
• [39] Latosińska J., Gawdzik J.I., Specjacja metali ciężkich w osadach ściekowych z oczyszczalni ścieków w Daleszycach, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2010, 13(4), 301-309.
• [40] Gawdzik J., Gawdzik B., Mobility of heavy metals in municipal sewage sludge from different throughput sewage treatment plant, Polish Journal of Environmental Studies 2012, 21(6), 1603-1611.
• [41] Dąbrowska L., Karwowska B., Porównanie metod oceny zagrożenia środowiska gruntowo-wodnego metalami ciężkimi wymywanymi z osadów ściekowych, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2007, 10(4), 281-291.
• [42] Gupta S.K., Vollmer M.K., Krebs R., The importance of mobile, mobilisable and pseudo total heavy metal fractions in soil for three-level risk assessment and risk management, Science of the Total Environment 1996, 178, 11-20.
• [43] Bermond A., Yousfi I., Ghestem J.P., Kinetic approach to the chemical speciation of trace metals in soils, Analyst 1998, 123,785-789
• [44] Meers E., Samson R., Tack F.M.G., Ruttens A., Vandegehuchte M., Vangronsveld J., Verloo M.G., Phytoavailability assessment of heavy metals in soils by single extractions and accumulation by Phaseolus vulgaris, Environmental and Experimental Botany 2007, 60, 385-396.
• [45] Sanders J.R., Adams T.M., Christensen B.T., Extractability and bioavailability of Zn, Ni, Cd and Cu in three Danish soils sampled 5 years after application of sewage sludge, Journal of Science Food Agriculture 1986, 37, 1155-1164.
• [46] Menzies N.W., Donn M.J., Kopittke P.M., Evaluation of extractants for estimation of the phytoavailable trace metals in soils, Environmental Pollution 2007, 145, 121-130.