Immobilizacja metali ciężkich w środowisku gruntowo-wodnym z wykorzystaniem dodatków organicznych

• Autorzy: Malina G. , Kwiatkowska J.

Warianty tytułu

EN

Immobilisation of heavy metals in soil and groundwater by organic additives

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Omówiono metody immobilizacji metali ciężkich w środowisku gruntowo-wodnym z wykorzystaniem dodatków organicznych, polegające na zwiększaniu pojemności sorpcyjnej kompleksu gruntowego, biowytrącaniu, biostabilizacji i biosorpcji. Dokonano przeglądu substancji organicznych możliwych do zastosowania w celu immobilizacji i ograniczenia migracji metali ciężkich w środowisku gruntowo-wodnym wraz z oceną ich skuteczności. Scharakteryzowano mechanizmy działania Bakterii Redukujących Siarkę (SRB) oraz Bakterii Dysymilacyjnych Redukujących Metale (DMRB). Przedstawiono nowoczesne metody immobilizacji przy udziale mikroorganizmów z wykorzystaniem: Przepuszczalnych Barier Aktywnych (PRB), Substancji Oddających Wodór (HRC), mat mikrobiologicznych oraz biologicznej detoksykacji cyjanków.

EN

Immobilisation refers to techniques that decrease mobility of heavy metals in the subsoil environment, and takes into account the use of soil properties that are responsible for mobility of heavy metals. As a result of immobilisation, concentrations of heavy metals in a soil solution decrease due to applying additives, which enlarge the sorption capacity of soil. Mobility of metal ions in soil and groundwater is influenced by the character of organic and mineral combination of a complex, metal ion saturation degree in a complex, sorption of a complex on mineral matrix, and biodegradation of an organic fraction of a complex. Immobilisation potentials of selected organic additives towards specific heavy metals were addressed. Organic additives with significant contents of organic carbon and high sorption capacity are used for chelate formation. They comprise: fine brown coal, biohumus, vermicomposts. Natural sorbents, that may be applied include: soil microorganisms, seaweeds, algae, fungi, bark and tannins, lignins, chitins, gelatine, modified wool and cotton, mosses and peat. The essential sources of humus in soil are organic fertilizer (manure, liquid manure), ploughed plants and straw, harvest residues. The application of unconventional organic materials may not only enrich soil with organic matter but also utilize waste (composted sewage sludge, composts, floatable soils of sugar beet, molasses and vinasse, stillage, sawdust, bark, tannery sludge, apple malt residues, waste diatomite from breweries). An overview of immobilisation techniques of heavy metals in soil and groundwater was made. Immobilisation can be achieved by increasing the sorption capacity of soil complexes, biostabilisation, biosorption and bioprecipitation. Heavy metals can be immobilised by inducing the Sulphate Reducing Bacteria (SRB) to reduce sulphates into sulphides, which leads to precipitation of heavy metals as insoluble metal sulphides. A carbon source in excess has to be provided as a substrate to induce the SBR and to remove oxygen, as a low redox potential is required. Novel biological techniques comprise application of Permeable Reactive Barriers (PRB), Hydrogen Release Compound (HRC), Microbial Mats in a Funnel-and-Gate Confi-guration, Dissimilatory Metal-Reducing Bacteria (DMRB), and biological detoxification of cyanides.

Słowa kluczowe

PL

dodatki organiczne; sorpcja; biosorpcja; biowytrącanie; bakterie redukujące siarkę; SRB; przepuszczalne bariery aktywne; prb; substancje oddające wodór; hrc

EN

organic additives; sorption; biosorption; bioprecipitation; permeable reactive barriers; sulphur reducing bacteria; dissimilatory metal-reducing bacteria; hydrogen release compound

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2003
• Tom: T. 6, nr 3/4
• Strony: 371--390
• Opis fizyczny: Bibliogr. 89 poz.

Twórcy

autor

Malina G.

• Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

autor

Kwiatkowska J.

• Politechnika Warszawska, Zakład Gleboznawstwa i Ochrony Gruntów pl. Politechniki 1, 00-661 Warszawa

Bibliografia

• [1] Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi, DzU 2002.165.1359.
• [2] Kleczkowski A.S. (red.) Ochrona wód podziemnych w Polsce, Stan i główne kierunki badań, CPBP 04, 10, z. 56, SGGW-AR, Warszawa 1991.
• [3] Gromiec M.J., Droga Polski do Europy w zlewniowej gospodarce wodnej, Gospodarka Wodna 1999, 4, 128-132.
• [4] Tadesse B., Donaldson J.D., Grimes S.M., Contaminated and polluted land: general review of decontamination management and control, J. Chem. Technol. Biotechnol. 1994, 60, 227-240.
• [5] Gorlach E., Poziom zawartości metali ciężkich w glebie jako wskaźnik możliwości użycia odpadów w produkcji roślinnej, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1993, 409, 13-20.
• [6] Steiger В., Keller A., Schulin R., Regional mass flux for controlling gentle remediation operations, Nutrient Cycling in Agroecosystems 1998, 50, 303-306.
• [7] Brej T., Fabiszewki J., Badania nad zastosowaniem torfu w odkażaniu siedliska zawierającego metale ciężkie, Zesz. Nauk. AR we Wrocławiu 1991, Roln. XXXVIII, 134, 217-225.
• [8] Ciećko Z., Wyszkowski M., Żołnowski A., Piotrowska G., Ocena przydatności węgla brunatnego i kompostu do neutralizacji skażenia gleby ołowiem, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1996, 437, 109-115.
• [9] Curyło T., Wpływ odczynu gleby na pobieranie cynku, miedzi i niklu przez rośliny owsa, Zesz. Probl. Post. Roln. 1996, 434,49-54.
• [10] Gorlach E., Gambuś F., Badania nad możliwością ograniczenia pobierania kadmu przez rośliny z gleb zanieczyszczonych tym metalem, Roczn. Glebozn. 1996, XLVII, 3/4, 31-39.
• [11] Krosshavn M., Steiness E., Varshog P., Binding of Cd, Cu, Pb and Zn in soil organie matter with different vegetational background, Water, Air and Soil Pollution 1992, 71,185-193.
• [12] Krog-Bjerre G., Schierup H., Uptake of six heavy metals by oat as influenced by soil type and additions of cadmium, lead, zinc and copper, PI. Soil 1985, 88, 57-69.
• [13] Eriksson J.E., The effects of clay, organic matter and time on adsorption and plant uptake of cadmium added to the soil, Water, Air and Soil Pollution 1988, 40, 359-373.
• [14] Gorlach E., Gambuś F., The effect of liming, adding peat and phosphorus fertilization on the uptake of heavy metals by plants, Polish J. Soil Sei. 1991, 24(2), 199-204.
• [15] Senesi N., Metal-humic substance complexes in the environment. Molecular and mechanistic aspects by multiply spectroscopic approach, ed. Adriano D.C. Biogeochemistry of trace metals, Levis P., Boca Raton 1992, 429-496.
• [16] Skłodowski P., Wpływ użytkowania gleb na akumulację i jakość związków próchnicznych, Roczn. Glebozn. 1994, 45(1), 77-84.
• [17] Stevenson F.J., Humus chemistry, John Willey & Sons, New York 1982.
• [18] Baran S., Flis-Bujak M., Kwiecień J., Żukowska G., Pietrasik W., Zaleski P., Zawartość Pb i Zn w glebie i kukurydzy uprawianej na glebie lekkiej użyźnionej osadem ściekowym i wermikompostem wytworzonym z tego osadu, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1996, 437,45-52.
• [19] Berti W., Cunningham S.D., In-place inactivation of Pb in Pb-contamined soils, Environ. Sei. Technol. 1997, 31, 1359-1364.
• [20] Mercik S., Stępień W., Wartość nawozowa zagęszczonego wywaru melasowego z torfem, Mat. Konf. Nawozy organiczne, Szczecin 1992, 2, 178-182.
• [21] Gambuś F., Gorlach E., Wpływ obornika, słomy i węgla brunatnego na fitoprzyswajalność metali ciężkich, Zesz. Nauk. AR Szczecin 1996, 172, Roln. 62, 131-137.
• [22] Gębski M., Mercik S., Wpływ węgla brunatnego, torfu oraz słomy na dostępność pierwiastków śladowych dla roślin, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1998, 455, 107-166.
• [23] Nand R., Verloo M., Effect of various organie materials on the mobility of heavy metals in soils, Environ. Pollution (Series B) 1985, 10, 241-248.
• [24] Martinez C.E., Motto H.L., Solubility of lead, zinc and copper added to mineral soils, Environ. Pollution 2000, 107, 153-158.
• [25] Schwartz W., Wilcke W., Sryk J., Zech W., Heavy metals release from soils in batch pH-stat experiments, Soil Sei. Soc. Am. J. 1999, 63, 290-296.
• [26] Japenga J., Dalenberg J.W., Wiersma D., Scheltnes S.D., Hersterberg D., Salomons W., Effect of liquid animal manure application on the solubilisation of heavy metals from soil, Intern. J. Environ. Anal. Chem. 1992, 46, 25-39.
• [27] Li Z.B., Shuman L.M., Mobility of Zn, Cd and PB in soils as affected by poultry litter extract, I. Leaching in soils columns, Environ. Pollution 1997, 95(2), 219-226.
• [28] Richard T., Woodbury P., Breslin V., Crawford S., MSW Composts: Impacts of Sepration on Trace Metal Contamination, (in:) Science and Enginiering of Composting: Design, Environmental, Microbiological and Utilization Aspects, eds. AJ. Hoitionk, H.M. Keener, Ohio, Renaissance Publications 1993.
• [29] Ciećko Z., Wyszkowski M., Żołnowski A., Ocena wpływu kory drzewnej i torfu oraz wapnowania na pobieranie kadmu przez owies i kukurydzę, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1995, 418, 603-609.
• [30] Plauquart P., Bonin G., Prone A., Massini C., Distribution, movement and plant availability of trace metals in soils amended with sewage sludge composts: application to low metal loadings, Sei. Total Environ. 1999, 241 (1-3), 161-179.
• [31] Steinbrich A., Turski R., Wiązanie Cu, Zn i Pb przez kwasy huminowe wyizolowane z gleb i osadów ściekowych, Roczn. Glebozn. 1986, XXXVII, 2-3, 333-342.
• [32] Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie komunalnych osadów ściekowych, DzU 2002.134.1140.
• [33] Grzebisz W., Maciejewska A., Effect of organie fertilizer made from brown coal on the adsorption of heavy metals by sandy soil, Polish J. of Soil Sei. 1999, XXXII/2, 13-22.
• [34] Maciejewska A., Ekologiczne aspekty stosowania nawozu organiczno-mineralnego wytworzonego z węgla brunatnego, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1993, 411, 311-318.
• [35] Maciejewska A., The effect of a brown coal fertilizer on sorption capacity of sandy soils, Int. Symp. Sustainable Agricultural Development and Rehabilitation, Tallinn 1996.
• [36] Maciejewska A., Kwiatkowska J., The effect of organic matter from brown coal on chemical composition of plants cultivated in the soil contaminated with heavy metals, Proc. 10th Int. Meeting of the IHSS, Toulouse 2000, 977-981.
• [37] Maciejewska A., Grzebisz W., Szwed К., Wpływ preparatów z węgla brunatnego i torfu na kompleks sorpcyjny gleb piaszczystych i adsorpcję miedzi, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1995, 422, 139-146.
• [38] Kwiatkowska J., The influence of fertilizer obtained from brown coal on availability of zinc, lead and cadmium, Third International Crop Science Congress, Hamburg 2000, 10.
• [39] Maciejewska A., Kwiatkowska J., Using of brown coal to enriching content of organic matter in soil, Third International Congress of The European Society for Soil Conservation Man and Soil at the Third Millennium, Valencia 2000, Book of Abstracts 248.
• [40] Hlusek J., Richter R., Poulik Z., Using of oxihumolite for immobilization of selected heavy metals in the soil. Humic Subst. Environ. 1997, 1(97), 129-134.
• [41] Kalembasa D., Wermikompost - nawóz do rekultywacji gleb zdegradowanych, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1995, 418, 591-596.
• [42] Nowak J., Szymczak J., Rola humusu oraz minerałów ilastych w zmniejszaniu inhibicyjnego działania kadmu na fosfatazy glebowe, Roczn. Glebozn. 2001, LII, 1/2, 69-78.
• [43] Bailey S.E., Olin T.J., Bricka R.M., Adrian D.D., A review of potentially low cost sorbents for heavy metals, Wat. Res. 1999, 33(11), 2469-2479.
• [44] Cai X.-H., Logan T., Gustafson T., Traina S.J., Sarye R.T., Application of eukaryotic algae for removal of heavy metals from water, Molec. Marine Biol. Biotech. 1995, 4, 338-344.
• [45] Cai X.-H., Brawn Ch., Adhiya J., Traina S.J., Sarye R.T., Growth and heavy metal binding properties of transgenic Chlamydomonas expressing a foreign metallothionein gene, Int. J. Phytoremediation 1999, 1,1, 53-65.
• [46] Hamdy A.A., Biosorption of heavy metals by Marine Algae, Current Microbiology 2000, 41, 232-238.
• [47] Bustard M., McHale A.P., Biosorption of heavy metals by distillery-derived biomass, Bioprocess and Biosystems Engineering 1998, 19, 5, 351-353.
• [48] Abbondanzi F., Calace N., Campisi T., Iacondini A., Leoni M., Petronio B.M., Pietroletti M., Utilising paper mill sludge for remediation of metal-contaminated soil, Proc. Sixth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, Orlando (w druku).
• [49] Anders D., Nowak L., Ocena możliwości wykorzystania pofiltracyjnej ziemi okrzemkowej w procesie kompostowania z substancją organiczna odpadów komunalnych. Praca doktorska. Akademia Rolnicza, Wrocław 2002.
• [50] http://www.kiwiorganics.co.nz/emfaq.html
• [51] Al-Degs Y., Khraisheh M.A.M., Tutunji M.F., Sorption of lead ions on diatomite and manganese oxides modified diatomite, Wat. Res. 2001, 35(15), 3724-3728.
• [52] Gupta S.K., Herren T., Wenger K., Krebs R., Hatari T., In situ gentle remediation measure for heavy metal-polluted soils, Phytoremediation of Contaminated Soil and Water 2000, 305-322.
• [53] Aksu Z., Kutsal T., A bioseparation process for removing lead (II) ions from waste water using Chlorella vulgaris, J. Chem. Tech. Biotechol. 1992, 52, 109-118.
• [54] Kaplan D., Heimer Y., Abeliovich A., Goldsbrough P.B., Cadmium toxicity and resistance in Chlorella species, Plant Sei. 1992, 129-137.
• [55] Chmiel A., Biotechnologia, Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne, WN PWN, Warszawa 1998.
• [56] Schlegel H.G., General microbiology, Cambridge Univ. Press 1993.
• [57] Mitchell P., Keilin’s Respiratory Chain Concept and its Chemiosmotic Consequences, Science 1979, 206(7), 1148-1159.
• [58] Dias M.A., Lacerda I.C.A., Pimentel P.F., de Castro H.F., Rosa C.A., Removal of heavy metals by an Aspergillus terreus strain immobilized in a polyurethane matrix, App. Microbiol. 2002, 34, 1, 46.
• [59] Niklewska-Larska T., Próba obniżenia toksycznego działania ołowiu w glebie przez wprowadzenie do niej Bacillus megaterium lub Streptomyces variabilis, Roczn. Glebozn. 1995, XLVI, 1/2,45-51.
• [60] Leyval C., Tumau K., Haselwandter K., Effect of heavy metal pollution on mycorrhizal colonization and function: physiological, ecological and applied aspects, Springer-Verlag 1997, Mycorriza7,139-153.
• [61] Salt D.E., Benhamou N., Leszczyniecka M., Raskin I., Chet I., A possible role for Rhizobacteria in water treatment by plant roots, Int. J. Phytoremediation 1999, 1(1), 67-79.
• [62] Ferrez A.I., Teixeira J.A., The use of flocculating brewer’s yeast for Cr (III) and Pb (II) removal from residual wastewaters, Bioprocess and Biosystems Engineering 1999, 21, 431-437.
• [63] Nies D.H., Heavy metal-resistant bacteria as extremophilic molecular physiology and biotechnological use of Ralstonia sp. CH34, Extremophiles 2000, 4, 2, 77-82.
• [64] McLean J.S., Beveridge T.J., Phipps D., Chromate removal from contaminated groundwater using indigenous bacteria, Proc. Fifth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, San Diego 1999, 5(4), 121-126.
• [65] Hong J., Sewell G.W., Organic electron donors for the microbial Cr(VI) reduction, Proc. Fifth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, San Diego 1999, 5(4), 135-140.
• [66] Volesky B., Removal of heavy metals by biosorption, American Chemical Society, Washington 1992, 462-466.
• [67] Govind R., Yang W., Tabak H., Studies on biorecovery of metals from acid mine drainage, Proc. Fifth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, San Diego 1999, 5(4), 37-46.
• [68] Christensen B., Laake M., Lient T., Treatment of acid mine water by sulfate-reducing bacteria; results from a bench scale experiments, Water Res. 1996, 30(7), 1617-1624.
• [69] Glombitza F., Treatment of acid lignite mine flooding water by means of microbial sulfate reduction, Waste Management 2001, 21, 197-203.
• [70] Kolmert A., Johnson D.B., Remediation of acidic waste waters using immobilised, acidophilic sulfate-reducing bacteria, J. Chem. Technol. Biotechnol. 2001, 76, 836-843.
• [71] White C., Gadd G.M., A comparison of carbon/energy and complex nitrogen sources for bacterial sulphate-reduction: potential application to bioprecipitation of toxic metals as sulphides, J. Ind. Microbiol. 1996, 17, 116-123.
• [72] Gerlach R., Cunningham A.B., Caccavo F., Chromium elimination with microbially reduced iron: Redox-reactive Biobarriers, Proc. Fifth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, San Diego 1999, 5(4), 13-18.
• [73] Cantrell K.J., Kaplan D.I., Wietsma T.W., Zero-Valent Iron for the In Situ Remediation of Selected Metals in Groundwater, J. Haz. Materials 1995, 42, 201-212.
• [74] Scott M.J., Metting F.B., Fruchter J.S., Wildung R.E., Research Investments Pays Off, Soil Sei. Soc. Am. J. 1998, 6-13.
• [75] Benner S.G., Blowes D.W., Ptáček C.J., A Full-Scale Porous Reactive Wall for Prevention of Acid Mine Drainage, Ground Water Monitoring and Remediation 1997, 17(4), 99-107.
• [76] Gilbert O. de Pablo J., Cortina J.L., Ayora C., Treatment of acid mine drainage by Sulphate Reducing Bacteria using permeable reactive barriers: from laboratory to full-scale experiments, 2001 (wydawca i strony nieznane).
• [77] McGregor R., Blowes D., Ludwig R., Pringle E., Pomeroy M., Remediation of a heavy metal plume using a reactive wall, Proc. Fifth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, San Diego 1999, 5(4), 19-24.
• [78] USEPA 1998. Permeable Reactive Barrier Technologies for Contaminant Remediation, EP A/600/R-98/125.
• [79] Waybrant K.R., Blowes D.W., Ptáček C.J., Selection of reactive mixtures for use in permeable reactive walls for treatment of mine drainage, Environ. Sei. Technol. 1998, 32(13), 1972-1979.
• [80] Gutnick D.L., Bach H., Engineering bacterial biopolymers for the biosorption of heavy metals; new products and novel formulations, Appl. Microbiol. Biotechnol. 2000, 54, 451-460.
• [81] Harris M.A., Ragusa S., Bioremediation of acid mine drainage using decompostable plant material in a constant flow reactor, Environmental Geology 2001, 40, 1192-1204.
• [82] Webb J.S., McGuiness S., Lappin-Scot H.M., Metal removal by sulphate-reducing bacteria from natural and constructed wetlands, J. Appl. Microbiol. 1998, 84, 240-248.
• [83] Hunter W.J., Remediating selenate contaminated groundwater with biobarriers containing biodiesel: Laboratory evaluation, Proc. Sixth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, Orlando (w druku).
• [84] Malina G., Zabochnicka-Świątek M., Immobilizacja Ba, В i Cu przy użyciu dodatków organicznych w środowisku gruntowo-wodnym w rejonie Zakładów Chemicznych w Tarnowskich Górach (w przygotowaniu).
• [85] Phillips P., Bender J., Thornton C.F., Field-scale evaluation of microbial mats for metal removal in a funnel-and-gate configuration, Proc. Fifth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, San Diego 1999, 5(4), 109-114.
• [86] Nordwick S., Canty M., Hiebert R., Thompson L., Mocrobiological treatment of cyanide, metals and nitrates in mining byproducts, Proc. Fifth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, San Diego 1999, 5(4), 31-36.
• [87] Wierzbicki D., Bohan D., Mullin S., Hexavalent chromium reduction and immobilization using Hydrogen Release Compound, Proc. Sixth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, Orlando (w druku).
• [88] Farone W., Palmer T., Koenigsberg S.S., Remediation of Cu, Cr and As under anaerobic conditions, Proc. Sixth In Situ and On-side Bioremediation Symposium, Orlando (w druku).
• [89] Malina G., Biowentylacja (SBV) strefy aeracji zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi, Monografia, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1999.