Accumulation of Cadmium, Chromium and Nickel in the Process of Stormwater Treatment

• Autorzy: Zubala T. , Patro M.

Warianty tytułu

PL

Akumulacja kadmu, chromu i niklu w procesie oczyszczania ścieków deszczowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The degree of accumulation of cadmium, chromium and nickel in sludge of a large rainwater treatment plant was assessed in the paper. The facility collects runoffs from an area of about 500 hectares of Puławy (a city in south-eastern Poland) and in terms of innovativeness, throughput and retention capacity stands out among other national solutions of this type. The main elements of analysed technological line are screen chambers, grit chambers, a settler and a retention pond. In the treatment plant there is only gravity flow - possible because of preserving the appropriate slopes and differences in bottom elevation of the individual devices. During the flow, physical, chemical and biological processes of self-cleaning occur. Sewage sludge was collected using a sediment core sampler, type Beeker, by Eijkelkamp. The material of intact structure was taken from the bottom of particular stormwater treatment facilities from the 0-10 cm layer. The cadmium content was determined in plasma using a quadrupole mass spectrometer and an ion detector. Chromium and nickel contents were determined using the method of atomic absorption spectrometry in acetylene-air flame. The trace metal contents in sediments are characterised by relatively large diversity. Different hydraulic conditions prevailing in individual devices – especially speeds of liquid flow – may be the cause. As a result, sequential sedimentation of various fractions of suspension occurs, along with adsorbed metals. The use of drained surfaces may be of great importance. The highest concentrations of pollutants were observed in the part of the treatment plant supplied with runoffs from the main streets of the city. The least polluted was sludge from the retention pond, from which purified sewage flows to the oxbow of the Vistula river. In grit chambers, Cr (54-60%) has the highest share in the pool of analysed metals. In contrast, the settler and the retention pond are dominated by Ni (respectively 64 and 80%). The contribution of Cd is in the range of 0.02-0.7%. In comparison with results obtained by other authors, the degree of accumulation of trace metals in the sludge is not very high. Their presence in the research area is probably related to the functioning of road transport and burning of fuels for energy purposes. A certain pool of metals can be released from various components of the technical infrastructure. Although no disturbingly high levels of heavy metals were found in the sediments, their quality should be continuously monitored. The city is developing dynamically and it is not possible to exclude the emergence of further potential pollution sources (e.g. increase in sealed surfaces and intensity of road traffic, establishing new production plants and service). In the case of increased concentrations of metals, an effective method of neutralization of sediments should be developed and implemented, e.g. using bioremediation processes.

PL

W pracy dokonano oceny stopnia akumulacji kadmu, chromu i niklu w osadach dużej oczyszczalni ścieków deszczowych. Obiekt zbiera spływy z powierzchni około 500 ha miasta Puławy (południowo-wschodnia Polska) i pod względem innowacyjności, przepustowości oraz pojemności retencyjnej wyróżnia się wśród innych krajowych rozwiązań tego typu. Podstawowymi elementami analizowanego ciągu technologicznego są: kraty, piaskowniki, osadnik i staw retencyjny. W oczyszczalni odbywa się wyłącznie przepływ grawitacyjny – możliwy dzięki zachowaniu odpowiednich spadków i różnic rzędnych den poszczególnych urządzeń. W trakcie przepływu zachodzą fizyczne, chemiczne i biologiczne procesy samooczyszczania. Osady ściekowe pobierano za pomocą próbnika Beeker firmy Eijkelkamp. Materiał o nienaruszonej strukturze pozyskiwano z dna poszczególnych obiektów oczyszczalni z warstwy 0-10 cm. Zawartość kadmu oznaczano w plazmie za pomocą kwadrupolowego selektora mas oraz detektora jonowego. Natomiast zawartość chromu i niklu oznaczano metodą spektrometrii absorpcji atomowej ze wzbudzeniem w płomieniu acetylen-powietrze. Zawartości metali śladowych w osadach cechuje stosunkowo duże zróżnicowanie. Przyczyną mogą być odmienne warunki hydrauliczne panujące w poszczególnych urządzeniach – przede wszystkim prędkości przepływu cieczy. W efekcie następuje sekwencyjna sedymentacja różnych frakcji zawiesiny, a wraz z nią zaadsorbowanych metali. Duże znaczenie może mieć sposób użytkowania powierzchni odwadnianych. Największe stężenia badanych zanieczyszczeń obserwowano w części oczyszczalni zasilanej spływami z głównych ulic miasta. Najmniej zanieczyszczone były osady ze stawu retencyjnego, z którego ścieki oczyszczone odpływają do starorzecza Wisły. W piaskownikach, w puli analizowanych metali największy udział wykazuje Cr (54-60%). Natomiast w osadniku i stawie retencyjnym zdecydowanie dominuje Ni (kolejno 64 i 80%). Udział Cd mieści się w granicach 0,02-0,7%. W porównaniu z wynikami uzyskiwanymi przez innych autorów, stopień akumulacji metali śladowych w osadach nie jest wysoki. Ich obecność w obszarze badań prawdopodobnie wiąże się z funkcjonowaniem transportu drogowego oraz spalaniem paliw w celach energetycznych. Pewna pula metali może uwalniać się z różnych elementów, wchodzących w skład infrastruktury technicznej. Mimo, że nie stwierdzono w badanych osadach niepokojąco wysokich zawartości metali ciężkich, ich jakość powinna być stale monitorowana. Miasto rozwija się dynamicznie i nie można wykluczyć pojawiania się kolejnych potencjalnych źródeł zanieczyszczeń (m.in. wzrost powierzchni uszczelnionych i natężenia ruchu, tworzenie nowych zakładów produkcyjnych i usługowych). W przypadku wzrostu stężeń metali należy opracować i wdrożyć skuteczną metodę neutralizacji osadów, np. z wykorzystaniem procesów bioremediacji.

Słowa kluczowe

EN

rainwater; sludge; pollutants; trace metals; treatment plant

PL

woda deszczowa; osady; zanieczyszczenia; metale śladowe; oczyszczalnia

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2018
• Tom: Tom 20, cz. 1
• Strony: 275--291
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Zubala T.

• University of Life Science in Lublin

autor

Patro M.

• University of Life Science in Lublin

Bibliografia

• 1. Allinson, G., Zhang, P., Bui, A., Allinson, M., Rose, G., Marshall, S., Pettigrove, V. (2015). Pesticide and trace metal occurrence and aquatic benchmark exceedances in surface waters and sediments of urban wetlands and retention ponds in Melbourne, Australia. Environmental Science & Pollution Research, 22, 10214-10226.
• 2. Braskerud, B.C. (2001). The influence of vegetation on sedimentation and resuspension of soil particles in small constructed wetlands. Journal of Environmental Quality, 30(4), 1447-1457.
• 3. Dąbrowski, W. (2001). Parametry fizyczne zawiesin wód deszczowych jako podstawa do projektowania systemów podczyszczania. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 6, 221-224.
• 4. Eisler, R. (1985). Cadmium hazards to fish, wildlife and invertebrates: A synoptic review. U.S. Department of the Interior, Fish and Wildlife Service – Contaminant Hazard Reviews, Biological Report 85 (1.2).
• 5. Färm, C. (2002). Evaluation of the accumulation of sediment and heavy metals in a storm-water detention pond. Water Science & Technology, 45(7), 105-112.
• 6. Giri, S., Singh, A.K. (2015). Human health risk and ecological risk assessment of metals in fishes, shrimps and sediment from a tropical river. International Journal of Environmental Science & Technology, 12, 2349-2362.
• 7. Goonetilleke, A., Thomas, E., Ginn, S., Gilbert, D. (2005). Understanding the role of land use in urban stormwater quality management. Journal of Environmental Management, 74(1), 31-42.
• 8. Gunawardana, C., Egodawatta, P., Goonetilleke, A. (2014). Role of particle sizeand composition in metal adsorption by solids deposited on urban road surfaces.Environmental Pollution, 184, 44-53.
• 9. Heal, K.V., Hepburn, D.A., Lunn, R.J. (2006). Sediment management in sustainableurban drainage system ponds. Water Science & Technology,53(10), 219-227.
• 10. Herrmann, J. (2012). Chemical and biological benefits in a stormwater wetland in Kalmar, SE Sweden. Limnologica, 42, 299-309.
• 11. Hjortenkrans, D., Bergbäck, B., Häggerud, A. (2006). New metal emission patterns =in road traffic environments. Environmental Monitoring & Assessment,117(1-3), 85-98.
• 12. Jayarathne, A., Egodawatta, P., Ayoko, G.A., Goonetilleke, A. (2017). Geochemical phase and particle size relationships of metals in urban road dust. Environmental Pollution, 230, 218-226.
• 13. Kabata-Pendias, A., Mukherjee, A.B. (2007). Trace elements from soil to human. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag.
• 14. Kaszewski, B.M. (2008). Klimat. W: Uziak, S., Turski, R. (red.), Środowisko przyrodnicze Lubelszczyzny. Lublin: Lubelskie Towarzystwo Naukowe, 75-111.
• 15. Klein, C.B. (1996). Carcinogenicity and genotoxicity of chromium. In: Chang, L.W., Magos, L., Suzuki, T. (Eds.), Toxicology of metals. New York, London, Tokyo: CRC Lewis Publishers, 205-219.
• 16. Kondracki, J. (2000). Geografia regionalna Polski. Warszawa: PWN.
• 17. Królikowski, A., Garbarczyk, K., Gwoździej-Mazur, J., Butarewicz, A. (2006). Osady powstające w obiektach systemu kanalizacji deszczowej. Białystok: Komitet Inżynierii Środowiska, Polska Akademia Nauk, Monografie 35.
• 18. Mallin, M.A., Ensign, S.H., Wheeler, T.L., Mayes, D.B. (2002). Pollutant removal efficacy of three wet detention ponds. Journal of Environmental Quality, 31, 654-660.
• 19. Mangani, G., Berloni, A., Bellucci, F., Tatano, F., Maione, M. (2005). Evaluation of the pollutant content in road runoff first flush waters. Water, Air & Soil Pollution, 160, 213-228.
• 20. Petrucci, G., Gromaire, M.-C., Shorshani, M.F., Chebbo, G. (2014). Nonpoint source pollution of urban stormwater runoff: a methodology for source analysis. Environmental Science & Pollution Research, 21, 10225-10242.
• 21. Pokrývková, J., Lackóová, L., Fuska, J., Tátošová, L., Policht-Latawiec, A. 2016). The impact of air pollution on rainwater quality. Annual Set The Environment Protection (Rocznik Ochrona Środowiska), 18, 303-321.
• 22. Sawicka-Siarkiewicz, H., Błaszczyk, P. (2007). Urządzenia kanalizacyjne na terenach zurbanizowanych. Warszawa: Instytut Ochrony Środowiska.
• 23. Sunderman, F.W. (2004). Nickel. In: Merian, E., Anke, M., Ihnat, M., Stoeppler, M. (Eds), Elements and their compounds in the environment. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 841-865.
• 24. Tran, D., Kang, J.H. (2013). Optimal design of a hydrodynamic separator for treating runoff from roadways. Journal of Environmental Management, 116, 1-9.
• 25. UMP (Urząd Miasta Puławy) (2004). Program ochrony środowiska Gminy Miasto Puławy. Puławy: Wydział Ochrony Środowiska Urzędu Miasta Puławy.
• 26. US (Urząd Statystyczny) (2016). Gmina Miejska Puławy, Powiat Puławski. Lublin: Statystyczne Vademecum Samorządowca.
• 27. Wakida, F.T., Martinez-Huato, S., Garcia-Flores, E., Piñon-Colin, T.D.J., Espinoza-Gomez, H., Ames-López, A. (2014). Pollutant association with suspended solids in stormwater in Tijuana, Mexico. International Journal of Environmental Science & Technology, 11, 319-326.
• 28. Wilk, M., Gworek, B. (2009). Metale ciężkie w osadach ściekowych. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 39, 40-59.
• 29. Wojciechowska, E., Rackiewicz, A., Nawrot, N., Matej-Łukowicz, K., Obarska-Pempkowiak, H. (2017). Badania rozmieszczenia metali ciężkich w osadach dennych zbiorników retencyjnych na terenie zlewni zurbanizowanej.Annual Set The Environment Protection (Rocznik Ochrona Środowiska),19, 572-589.
• 30. Zhang, J., Hua, P., Krebs, P. (2017). Influences of land use and antecedent dryweather period on pollution level and ecological risk of heavy metals in road-deposited sediment. Environmental Pollution, 228, 158-168.
• 31. Zhu, W., Bian, B., Li, L. (2008). Heavy metal contamination of road-deposited sediments in a medium size city of China. Environmental Monitoring & Assessment, 147(1-3), 171-181.
• 32. Zubala, T. (2013). Analiza efektywności oczyszczania oraz uwarunkowań techniczno-eksploatacyjnych oczyszczalni ścieków opadowych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2, 96-98.
• 33. Zubala, T., Patro, M. (2015). Rainwater reservoirs in the urban landscape – cas study. Journal of Ecological Engineering, 16(5), 128-132.
• 34. Zubala, T. (2018). Technical and natural conditions and operating efficiency of a municipal stormwater treatment plant. Environmental Science and Pollution Research, 25(1), 952-962.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).