Heavy metals and PCBs in sewage sludge during thermophilic digestion process

• Autorzy: Dąbrowska L. , Rosińska A. , Janosz-Rajczyk M.

Warianty tytułu

PL

Metale ciężkie i PCB w osadach ściekowych podczas fermentacji prowadzonej w warunkach termofilowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The investigations were carried out in order to assess the effect of thermophilic fermentation on changes in concentration of seven congeners with codes: 28, 52, 101, 118, 138, 153 and 180 in sewage sludge. The total concentration of PCBs was the highest before the process of thermophilic fermentation. On the tenth day of the process of fermentation it was found that the total concentration of LCB doubled the previous level, whereas in higher chlorinated PCBs this value decreased twice. After the process of thermophilic digestion, all the determined congeners of PCBs were still present. However, their total concentration was reduced by 84% on the fourteenth day of the process. Low concentration of heavy metal ions in the liquid phase of sewage sludge was observed. The metal ions precipitated and remained bound throughout the stabilization process. Metal speciation analysis was performed, and revealed some changes in the chemical forms of the metals during the stabilization process of sludge. The highest increase of zinc, copper, nickel, cadmium, and chromium concentration was observed in the organic-sulfide fraction, whereas the highest increase of lead was found in the residual fraction. Thermophilic methane fermentation did not cause the accumulation of heavy metals in the mobile fractions of sludge.

PL

Przeprowadzono badania mające na celu ocenę wpływu fermentacji termofilowej na zmianę zawartości siedmiu kongenerów o kodach: 28, 52, 101, 118, 138, 153 i 180 w osadach ściekowych oraz na przemieszczanie się metali ciężkich (Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, Cr) pomiędzy frakcjami chemicznymi osadów. Metanowej fermentacji termofilowej poddano osad pobrany z osadnika wstępnego z miejskiej mechaniczno-biologicznej oczyszczalni ścieków. Osad przed stabilizacją zmieszano w stosunku objętościowym 1:2 z osadem przefermentowanym zaadoptowanym do warunków termofilowych. Porównując sumaryczne stężenie PCB we wszystkich monitorowanych dobach procesu fermentacji termofilowej zaobserwowano, że przed procesem było ono największe. W trzeciej dobie procesu stabilizacji stężenia poszczególnych kongenerów były porównywalne natomiast w dziesiątej dobie stwierdzono, że sumaryczne stężenie niżej chlorowanych PCB wzrosło 1,5-krotnie natomiast wyżej chlorowanych zmalało około 4-krotnie. W kolejnych dobach zawartość poszczególnych kongenerów w mieszaninie osadów zmniejszała się. Po procesie fermentacji termofilowej nie oznaczono PCB 118 oraz PCB 180. W czternastej dobie procesu sumaryczne stężenie wykrytych kongenerów zmniejszyło się o 84%. Można więc przypuszczać, że proces fermentacji termofilowej nie spowodował kumulowania się polichlorowanych bifenyli w osadach ściekowych. Stwierdzono niskie stężenia jonów metali ciężkich w cieczach osadów. Jony metali wytrąciły się i pozostały związane w osadach do końca procesu stabilizacji. Najwyższy wzrost zawartości cynku, miedzi, niklu, kadmu i chromu stwierdzono we frakcji organiczno-siarczkowej, natomiast ołowiu we frakcji pozostałościowej osadów. Tym samym przeprowadzenie fermentacji osadów w termofilowym zakresie temperatur sprzyjało powstawaniu stabilnych form chemicznych metali ciężkich.

Słowa kluczowe

EN

heavy metal; polychlorinated biphenyls; sewage sludge; thermophilic digestion

PL

metale ciężkie; polichlorowane bifenyle (PCB); osad ściekowy; fermentacja termofilowa

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 37, no. 3
• Strony: 3--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Dąbrowska L.

autor

Rosińska A.

autor

Janosz-Rajczyk M.

• Department of Chemistry, Water and Sewage Technology, Częstochowa University of Technology, Dąbrowskiego 69, 42-200 Częstochowa, Poland,

Bibliografia

• [1] Alonso Alvarez E., M. Callejon Mochon, J.C. Jimenez Sanchez, M. Ternero Rodriguez M.: Heavy metal extractable forms in sewage sludge from wastewater treatment plants, Chemosphere, 47, 765-775 (2002).
• [2] Benabdallah El-Hadj T., J. Dosta, R. Torres, J. Mata-Alvarez: PCB and AOX removal in mesophilic and termophilic sewage sludge digestion, Biochemical Engineering Journal, 36, 281-287 (2007).
• [3] Berset J.D., P. Kuehne, W. Shotyk: Concentration and distribution of some polycglorinated biphenyls (PCB) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in ombrotrophic peat bog profile of Switzerland, The Science of Total Environment, 267, 67-85 (2002).
• [4] Bertin L., S. Capodicasa, F. Occulti, S. Girotti, L. Marchetti, F. Fava: Microbial processes associated to the decontamination and detoxification of a polluted activated sludge during its anaerobic stabilization, Water Research, 41, 2407-2416 (2007).
• [5] Borja J., J.A. Taleon, S. Gallardo: Polychlorinated biphenyls and their biodegradation, Process Biochemistry, 40, 1999-2013 (1999).
• [6] Chen M., X. Li, Q. Yang, G. Zeng, Y. Zhang, D. Liao, J. Liu, J. Hu, L. Guo: Total concentrations and speciation of heavy metals in municipal sludge from Changsha, Zhuzhou and Xiangtan in middle-south region of China, Journal of Hazardous Materials, 160, 324-329 (2008).
• [7] Chu S., M. Cai: Soil-plant transfer of polychlorinated biphenyls in paddy fields, The Sci Total Environm., 234,119-126 (1999).
• [8] Clarke B.O., N.A. Porter, P.J. Marriott, J.R. Balckbeard: Investigating the levels and trends of organochlorine pesticides and polychlorinated biphehyl in sewage sludge, Environmental International, 36, 323-329 (2010).
• [9] Ericson, M.D.: Analytical Chemistry of PCBs, second edition, CRC, Lewis Publishers Boca Raton, New York 1997.
• [10] European Standard ISO 11734:1995. Water quality - Evaluation of the "ultimate" anaerobic biodegradability of organic compounds in digested sludge - Method by measurement of the biogas production.
• [11] European Standard ISO 8288:2002. Water quality - Determination of cobalt, nickel, zinc, cadmium and lead - Flame atomic absorption spectrometric methods.
• [12] Falandysz J.: Polichlorowane bifenyle (PCBs) w środowisku: chemia, analiza, toksyczność, stężenia i ocena ryzyka, Fundacja Rozwoju Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk 1999.
• [13] Fuentes A., M. Llores, J. Saez, M.I. Aguilar, J.F. Ortuno, V.F. Meseguer: Comparative study of six different sludges by sequential speciation of heavy metals, Bioresource Technology, 99, 517-525 (2008).
• [14] Glyzes Ch., S. Tellier, M. Astruc: Fractionation studies of trace elements in contaminated soils and sediments: a review of sequential extraction procedures, Trends in Analytical Chemistry, 21, 451-467 (2002).
• [15] Gong Y, J.V. Depinto, G-Y. Rhee, X. Liu: Desorption rates of two PCB congeners from suspended sediments I. experimental results, Water Research, 32, 2507-2517 (1998).
• [16] Harrison E.Z., S.R. Oakes, M. Hysell, A. Hay: Organic chemicals in sewage sludge, Science of Total Environment, 367, 481-497 (2006).
• [17] Janosz-Rajczyk M., L. Dąbrowska, A. Rosińska, J. Płoszaj, E. Zakrzewska: Zmiany ilościowo-jakościowe PCB, WWA i metali ciężkich w kondycjonowanych osadach ściekowych stabilizowanych biochemicznie, Monografie nr 120, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2006.
• [18] Jartun M., A. Pettersen: Contamination in urban runoff to Norvegian fjords, Sediment Management In Norway, 10, 155-161 (2010).
• [19] Konieczka P., J. Namieśnik i inni: Ocena i kontrola jakości wyników pomiarów analitycznych, WNT, Warszawa 2007.
• [20] Johansen H.R., C. Thorstensen, T. Greibrook, G. Becher: Online SFE-GC for determination of PCB in human milk and blood serum, J. High Resol. Chromatogr., 16, 148-152 (1993).
• [21] Lasheen M. R., N.S. Ammar: Assessment of metals speciation in sewage sludge and stabilized sludge from different Wastewater Treatment Plants, Greater Cairo, Egypt, Journal of Hazardous Materials, 164, 740-749 (2009).
• [22] Machnicka A., K. Grubel, J. Suschka: The use of disintegrated foam to accelerate anaerobic digestion of activated sludge, Archives of Environmental Protection, 35 (3), 11-19 (2009).
• [23] Mantis I., D. Vousta, C. Samara: Assessment of the environmental hazard from municipal and industrial wastewater treatment sludge by employing chemical and biological methods, Ecotoxicology and Environmental Safety, 62, 397-407 (2005).
• [24] Montusiewicz A., M. Lebiocka, A. Rożej, E. Zacharska, L. Pawłowski: Freezing/thawing effects on anaerobic digestion of mixed sewage sludge, Bioresource Technology, 101, 3466-3473 (2010).
• [25] Morselli L., S. Zappoli, A. Donati: Identification, quantification and distribution of polychlorinated biphenyls (PCB) in Antarctic marine environment: Terranova Bay, Ross Sea, Ann. Chim., 79, 677-688 (1989).
• [26] Pathak A., M.G. Dastidar, T.R. Sreekrishnan: Bioleaching of heavy metals from sewage sludge by indigenous iron-oxidizing microorganisms using ammonium ferrous sulfate and ferrous sulfate as energy sources: A comparative study, Journal of Hazardous Materials, 171, 273-278 (2009).
• [27] Rao C. R. M., A. Sahuquillo, J.F. Lopez Sanchez: 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 Pollut, 189, 291-333 (2008).
• [28] Rauret G., J.F. Lopez-Sanchez, A. Sahuquillo, E. Barahona, et al.: Application of a modified BCR sequential extracion (three-step) procedure for the determination of extractable trace metal contents in a sewage sludge amended soil reference material (CRM 483), complemented by a three-year stability study of acetic acid and EDTA extractable metal content, J. Environ. Monit., 2, 228-233 (2000).
• [29] Rosińska A., M. Janosz-Rajczyk, J. Płoszaj: Leaching of PCBs from sewage sludge after biochemical stabilization processes, Environmental Engineering, edit by L. Pawłowski, M. Dudzińska & A. Pawłowski, Taylor&Francis 2007, 301-305.
• [30] Stylianou M. A., D. Kollia, K.J. Haralambous, V.J. Inglezakis, K.G. Moustakas, M.D. Loizidou: Effect of acid treatment on the removal of heavy metals from sewage sludge, Desalination, 215, 73-81 (2007).
• [31] Walter I., F. Martinez, V. Cala: Heavy metal speciation and phytotoxic effects of three representative sewage sludges for agricultural uses, Environmental Pollution, 139, 507-514 (2006).
• [32] Wiegel J., W. Qingzhong: Microbial reductive dehalogenation of polychlorinated biphenyls, FEMS Microbiology Ecology, 32, 1-15 (2000).