Ocena efektywności wykorzystania węgla brunatnego jako efektywnego źródła materii organicznej w gruntach przekształconych antropogenicznie

• Autorzy: Kwiatkowska J.

Warianty tytułu

EN

Evaluation of brown coal as an effective source of organic matter in anthropologically transformed soils

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zabezpieczenie środowiska gruntowo-wodnego przed zanieczyszczeniem, prowadzące do likwidacji lub ograniczenia zagrożeń (tzw. zarządzanie ryzykiem), może polegać na izolowaniu ognisk zanieczyszczeń i/lub obszarów zanieczyszczonych od obszarów, które w wyniku migracji zanieczyszczeń mogą ulec skażeniu/degradacji. Gleba, stanowiąca wierzchnią warstwę litosfery, jako stały element środowiska jest pierwszym odbiorcą zanieczyszczeń antropogenicznych. Obecność w glebie substancji humusowych, podobnie jak minerałów ilastych, jest bardzo korzystna ze względu na ich wysoką pojemność sorpcyjną i związaną z tym zdolność do zatrzymywania (immobilizacji) zanieczyszczeń (np. metali ciężkich). Odtworzenie substancji humusowych w wierzchniej warstwie litosfery poprzez humifikację sztucznie wprowadzonej substancji organicznej pozwala na odtworzenie naturalnej bariery ochronnej, a tym samym może stanowić metodę ograniczenia/likwidacji ryzyka zdrowotnego i/lub środowiskowego na terenach objętych antropopresją. W pracy zaproponowano model koncepcyjny gleby jako naturalnej bariery ograniczającej ryzyko związane z pochłanianiem metali ciężkich przez rośliny oraz ich wymywaniem do wód podziemnych. Na podstawie dokonanego przeglądu literatury omówiono procesy związane z humifikacją materii organicznej z węgla brunatnego oraz główne parametry tych procesów. Poddano ocenie możliwości wykorzystania węgla brunatnego jako efektywnego źródła materii organicznej w gruntach przekształconych antropogenicznie. Przedstawiono także wyniki dotychczas przeprowadzonych badań właściwości i wpływu materii organicznej na akumulację metali ciężkich przez rośliny w glebie, zwłaszcza w aspekcie trwałości i skuteczności ich stosowania oraz pod kątem skuteczności ograniczania migracji metali ciężkich do wód podziemnych.

EN

According to the European Parliament Directive, soils are mainly non-renewable resources, because degradation processes can proceed much faster than soil formation and remediation processes. Soil degradation and/or contamination have significant influence on quality of ground and surface water. On the base of Water Framework Directive (WFD) and, the so-called daughter Directive considering groundwater, achieving main goals of water policy requires prevention of deterioration of water quality, as well as contaminants removal. Groundwater protection against contaminants leading to elimination or reductions of risk might rely on isolation of the so-called "hot-spots" and/or contaminated areas to avoid spreading of pollutants within uncontaminated aquifers due to their migration. In such cases immobilization of contaminants in soil may often be applied. Soil is the first and primary receiver of contaminants, and may or may not serve as a natural barrier to protect groundwater against contamination from the surface. In this context, humic substances (especially humic and fumic acids) and cohesive fractions (clay, silt, silt clay, etc.) present in soil are favourable components. It is because of their high sorption capacity with respect to many contaminants, including heavy metals, which may result in their immobilisation and, consequently protect groundwater against contamination. Mobility of metal ions in soil and groundwater is influenced by character of organic and mineral combinations of complexes, metal ion saturation degree in a complex, sorption of a complex on mineral matrix and biodegradation of an organic fraction of a complex. Antropogenically transformed soils often do not contain humic substances, thus their role as a natural barrier is decreased. Therefore, regeneration of humic substances through humification of organic matter from diverse sources added to soils, may be the way to rebuilt the protective character of soil barrier, and consequently to reduce environmental and/or health risks at areas under anthropopression. The goal of this study was to discuss fine brown coal and the brown coal - derived fertilizer (Rekulter) as effective sources of organic matter (and humic substances) in soils that are anthropogenically transformed. A conceptual model was developed for soil as a protective barrier against heavy metals uptake by plants and/or migration towards groundwater. An overview of literature was made on properties and influences of organic matter on accumulation of heavy metals by plants and their infiltration through the vadose zone towards aquifers, especially from the process stability and effectiveness points of view. Transformation processes of soil organic matter, and the role of humic substances in heavy metals immobilisation, were briefly discussed. Transformation processes of brown coal applied to soil were described to evaluate the use of this material as an effective source of organic matter and humic substances generation in degraded soils. Finally, some recent studies on successful application of brown coal additives for reclamation of soils transformed anthropogenically were briefly discussed.

Słowa kluczowe

PL

węgiel brunatny; grunty antropogeniczne; wody podziemne; metale ciężkie; migracja; substancje humusowe; immobilizacja

EN

brown coal; anthropogenic soils; groundwater; heavy metals; migration; humic substances; immobilisation

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2007
• Tom: T. 10, nr 1
• Strony: 71--85
• Opis fizyczny: Bibliogr. 46 poz.

Twórcy

autor

Kwiatkowska J.

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

Bibliografia

• [1] Nriagu J.O., Pacyna J.M., Quantitative assessment of worldwide contamination of air, water and soils by trace metals, Nature 1988, 333,12 May, 134-139.
• [2] Adriano D.C., Trace elements in the terrestrial environment, Springer, Berlin, Heilderberg, New York 1986.
• [3] Terelak H., Stuczyński T., Piotrowska M., Heavy metals in agricultural soils in Poland, Polish J. Soil Sci. 1997, 30(2), 35-42.
• [4] Założenia programu rządowego dla terenów poprzemysłowych. CP Kancelarii Prezesa RM, Warszawa 2003.
• [5] Gonet S., Próchnica, substancje humusowe, węgiel organiczny - definicje. Komentarze i metody oznaczania, (w:) Substancje humusowe w glebach i nawozach, B. Dębska, S. Gonet (red.), PTSH, Wrocław 2003, 21-29.
• [6] Stevenson F.J., Humus chemistry. Genesis, composition, reactions, John Wiley&Sons, 1982.
• [7] Grassi M.T., Shi B., Allen H.E., Partition of copper between dissolved and particulate phase using aluminum oxide as an aquatic model phase: Effect of pH, solids and organic matter, J. Braz. Chem. Soc. 2000, 11 (strony nieznane).
• [8] Schnitzer M., Khan S.U., Humic substances in the environment, M. Dekker, New York 1972.
• [9] Chen Y., Inbar Y., Chemical and spectroscopical analyses of OM transformations during composting in relation to compost maturity, (w:) Science and Engineering of Composting (eds. H.A.J. Hoitnik and H'M. Keener), Renaissance Publications, Wortington 1993, 551-600.
• [10] Kyziol J., Sorpcja i silą wiązania wybranych jonów metali ciężkich z substancja organiczną, IPIŚ PAN, Zabrze 2002.
• [11] Hofstede H., Goen H., The effects of addition refining residue (red mud) on the behaviour of heavy metals in compost. Heavy metals in the environment, Elsevier, Amsterdam 1991, 67-94.
• [12] Karczewska A., Chodak T., Kaszubkiewicz J., The suitability of brown coal as a sorbent for heavy metals in polluted soils, Applied Geochemistry 1996, 11, 343-346.
• [13] Batjes N.H.: The total C and N in soils of the world, Eur. J. Soil Sci. 1996, 47,151-163.
• [14] Eswaran H., Van Den Berg E., Reich P., Organic carbon in soils of the world, Soil Sci. Soc. Am. J. 1992,57,192-194.
• [15] Malina G., Kwiatkowska J., Immobilizacja metali ciężkich w środowisku gruntowo-wodnym z wykorzystaniem dodatków organicznych, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2003, 6, 3-4, 371-390.
• [16] Raychev T., Arsova A., Popandova S., Sokołowska Z., Hajnos M., Józefaciuk G., Effect of coal powder and liming on arsenic uptake by Alfalfa from Cu and As polluted acidic soil, Polish J. Soil Sci. 2001,34, 9-15.
• [17] Bielikowski K., Zasoby i charakterystyka złóż węgla brunatnego na obszarze Polski, Zesz. Probl. PNR 1995,422,55-60.
• [18] Jurkowska H., Antytoksyczne działanie węgla brunatnego. Zesz. Nauk. WSR w Krakowie, ser. Rolnictwo, 1964, 31, 55-90.
• [19] Butuzova L., Krzton A., Bazarova O., Structure and properties of humic acids obtained from thermo-oxidised brown coal, Fuel 1998, 77, 6, 581-584.
• [20] Schmierss H., Kopsel R., Macromolecular Structure of brown coal in relationship to the degradability by microorganisms, Fuel Processing Technology 1997, 52, 109-14.
• [21] Verheyen T.V., Johns R.B., Structural investigations of Australian coals. I. A characterization of Victorian brown coal lithotypes and their kerogen and humic acid fractions by IR speetroscopy, Geochim. Cosmochim. Acta 1981,45, 1899-1908.
• [22] Fabiańska M., GC-MS investigation of distribution of fatty acids in selected Polish brown coals, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 2004, 72, 241-244.
• [23] Strzyszcz Z., Imisje przemysłowe a przydatność gleb do produkcji rolniczej, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1992,401,281-283.
• [24] Cuypers Ch., Bioavailability of PAH in soils and sediments, PhD-thesis, Wageningen University, Wageningen 2001.
• [25] Maciejewska A., Kwiatkowska J., Właściwości fizykochemiczne oraz buforowe gleby po zastosowaniu nawozu organiczno-mineralnego z węgla brunatnego, Folia Universitatis Agriculture Stetinensis, 2000, 211, Agricultura 84, 263-268.
• [26] Maciejewska A., Kwiatkowska J., Heavy metals accumulation by plants for soils treated by the brown coal derived Preparation, (w:) Obieg pierwiastków w przyrodzie. Bioakumulacja, toksyczność, przeciwdziałanie, B. Gworek i J. Misiaka (red.), Monografia t. 2, Warszawa 2003, 594-600.
• [27] Maciejewska A., Kwiatkowska J., Properties of brown coal and its usability for improvement of soil structure, Humic Substances in Ecosystems 2005, 6, 115-117.
• [28] Kwiatkowska J., Wpływ nawozu otrzymanego z węgla brunatnego - Rekultera - na właściwości fizykochemiczne gleby oraz na zawartość cynku, ołowiu i kadmu w roślinach, Praca doktorska, SGGW, Warszawa 1999 (niepublikowane).
• [29] Dębska B., Rola resztek roślinnych w kształtowaniu żyzności gleb, (w:) Substancje humusowe w glebach i nawozach, B. Dębska, S. Gonet (red.), PTSH, Wrocław 2003, 105-121.
• [30] Mazur T., Znaczenie resztek pożniwnych w bilansie substancji organicznej gleb. Nawozy organiczne, PAN, AR Szczecin 1992, 2, 4-11.
• [31] Kalembasa S., Tengler S., Rola węgla brunatnego w nawożeniu i ochronie środowiska, Monografie nr 52, Wyd. Akademii Podlaskiej, Siedlce 2004.
• [32] Drozd J., Licznar M., Jamroz E., Bekier J., Próchniczne indeksy dojrzałości kompostów, (w:) Substancje humusowe w glebach i nawozach, B. Dębska, S. Gonet (red.), PTSH, Wrocław 2003, 75-95.
• [33] Zier N., Schiene R., Koch H., Fischer K., Agricultural reclamation of disturbed soils in a lignite mining area using municipal and coal wastes: the humus situation at the beginning of reclamation, Plant and Soil 1999, 213, 241-250.
• [34] Gębski M., Mercik S., Wpływ węgla brunatnego, torfu oraz słomy na dostępność pierwiastków śladowych dla roślin, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 1998, 455, 73-84.
• [35] Grzebisz W., Maciejewska A., Effect of organic fertilizer made from Brown coal on the adsorption of heavy metals by sandy soil, Polish J. Soil Sci. 1999, XXXII/2, 13-21.
• [36] Kwiatkowska J., The influence of fertilizer obtained from brown coal on availability of zinc, lead and cadmium, 3-rd Int. Crop Science Congress, Hamburg, Germany 2000, 10.
• [37] Gambuś F., Gorlach E., Wpływ obornika, słomy i węgla brunatnego na fitoprzyswajalność metali ciężkich, Zesz. Nauk. AR Szczecin 1996, 172, Rolnictwo 62, 131-137.
• [38] Gode F., Pehlivan E., Adsorption of Cr(HI) ions by Turkish brown coals, Fuel Processing Technology 2005, 86, 875-884.
• [39] Kwiatkowska J., Sokołowska Z., Maciejewska A., Selected physical and chemical properties for evaluating brown coals used for soil reclamation, Int. Agrophysics 2006, 20, 2, 121-128.
• [40] Musierowicz A., Z badań nad wartością nawozową miału węgla brunatnego, Prz. Dośw. Rol., 1(6), 25.
• [41] Lityński T., Zielińska R., Żak Z., Wartość nawozowa krajowego węgla brunatnego. Cz. IV, Przem. Chem. 1952, 152.
• [42] Jurkowska H., Węgiel brunatny jako czynnik buforujący, Zesz. Nauk. WSR Kraków 1961, 12, ser. Rolnictwo, 89-115.
• [43] Reiman B., Bartosiewicz A., Działanie węgla brunatnego na plon roślin i pobieranie składników pokarmowych na glebach piaszczystych, Roczn. WSR Poznań, 1969,42, 102-115.
• [44] Bereśniewicz A., Nowosielski O., Możliwości rolniczego wykorzystania węgla brunatnego, Post. Nauk Roln. 1976, 1, 69-84.
• [45] Kwiatkowska J., The effect of organic amendments on the phytoavailability of heavy metals in polluted soil, Ecohydrology & Hydrobiology 2006, 4, 1-2, 417-427.
• [46] Mukarami K., Yamanda T., Fuda K., Matsunaga T., Selectivity in cation exchange property of heat-treated brown coals, Fuel 2001, 80, 599-605.