The seasonal changes of heavy metal content as limiting factor of sewage sludge re-use as fertilizer ingredient, based on data from WWTPs in Poland

• Autorzy: Kacprzak, Małgorzata J. , Bauman-Kaszubska, Hanna , Wójcicka, Karolina

Warianty tytułu

PL

Sezonowe zmiany zawartości metali ciężkich jako czynnika ograniczającego ponowne wykorzystanie osadów ściekowych do produkcji nawozów na podstawie danych z oczyszczalni ścieków w Polsce

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In Europe, half of the amount of sewage sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) is used in agriculture, in Poland about 27%, respectively. Fertilizing products (compost or organic-mineral fertilizers) produced from sewage sludge are promise alternative for directly use of no-treated waste. The paper presents seasonal changes of Cu, Pb, Ni, Zn, Cr, Cd and Hg content in sewage sludge from different regions of Poland collected during one year. It was noted wide range of the metal amount in dependence on season andWWTPs capacity. The Cu concentration was from 0.4 to 784 mgkg-1 d.m., Ni from 0.25 to 1281 mgkg-1 d.m., Cd from 0.005 to 14.85 mgkg-1 d.m., Pb from 0.11 to 306.2 mgkg-1 d.m., Hg from<0.001 to 2.3 mgkg-1, Cr from 0.23 to 854 mgkg-1 and Zn from 11 to 4669 mgkg-1, respectively. It has been shown that Cu, Cd, Pb, Hg and Cr content did not exceed the permissible levels for agricultural purposes according to Polish law. There was no clear correlation between the heavy metal amount and the WWTP capacity, expressed as population equivalent (PE). However some increase trend in the case of Cu, Ni, Hg and Cr concentration at the higher PE value was found. It has been concluded that in spite relatively low level of heavy metals in Polish WWTPs, it may be limiting factor for production high quality fertilizers on the base of sewage sludge.

PL

W Europie połowa ilości osadów ściekowych z oczyszczalni ścieków jest wykorzystywana w rolnictwie, w Polsce odpowiednio około 27%. Istnieje kilka przepisów prawa krajowego opartych na ramowej dyrektywie osadowej (86/278/EWG) ograniczających poziom zanieczyszczeń (głównie metalami ciężkimi) w przypadku bezpośredniego wykorzystania odpadów na powierzchni gleby. Jednak nowelizacja Dyrektywy Osadowej (i drastyczne obniżenie dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń) może ograniczyć, a nawet utrudnić bezpośrednie wykorzystanie osadów ściekowych do celów rolniczych. Stąd efektywne produkty nawozowe (kompost lub nawozy organiczno-mineralne) pochodzące z osadów ściekowych są dobrą alternatywą dla ponownego wykorzystania nieoczyszczonych odpadów. Na zawartość substancji toksycznych w osadach ściekowych mogą mieć wpływ różne czynniki, w tym obecność ścieków przemysłowych czy wielkość oczyszczalni. W pracy przedstawiono wyniki badań zawartości metali ciężkich (Cu, Pb, Ni, Zn, Cr, Cd, Hg) w osadach ściekowych analizowanych przez certyfikowane laboratoria, udostępnianych przez oczyszczalnie ścieków z różnych regionów Polski, pobranych w ciągu jednego roku. Uzyskane wyniki wskazały na bardzo szerokie przedziały zawartości poszczególnych pierwiastków w suchej masie osadu. Stężenie Cu mieściło się w zakresie od 0.4 do 784 mgkg-1 s.m., Ni od 0.25 do 1281 mgkg-1 s.m., Cd od 0.005 do 14.85 mgkg-1 s.m., Pb od 0.11 do 306.2 mgkg-1 s.m., Hg od < 0.001 do 2.3 mgkg-1, Cr od 0.23 do 854 mgkg-1 i Zn od 11 do 4669 mgkg-1. Wykazano, że zawartość Cu, Cd, Pb, Hg i Cr nie przekraczała dopuszczalnych poziomów użytkowania rolniczego zgodnie z polskimi przepisami. Nieliczne były przypadki przekroczenia ilości niklu i cynku. Nie stwierdzono wyraźnej korelacji między minimalną i maksymalną ilością metali ciężkich a wielkością oczyszczalni wyrażoną przez równoważną liczbę mieszkańców (RLM). Zaobserwowano jednak pewien trend wzrostowy w przypadku stężeń Cu, Ni, Hg i Cr przy wyższych wartościach RLM. Ponadto odnotowano sezonowe zmiany zawartości metali ciężkich w osadach ściekowych oraz sezonową zmienność poziomów poszczególnych pierwiastków. Stwierdzono, że pomimo stosunkowo niskiego poziomu metali ciężkich, może to być czynnikiem ograniczającym produkcję wysokiej jakości nawozów na bazie osadów ściekowych.

Słowa kluczowe

PL

metal ciężki; osad ściekowy; zmiany sezonowe; równoważna liczba mieszkańców

EN

sewage sludge; heavy metal; seasonal changes; population equivalent

• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 3
• Strony: 173--190
• Opis fizyczny: Bibliogr. 57 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Kacprzak, Małgorzata J.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Mechanics and Petrochemistry, Institute of Civil Engineering, Płock, Poland,

autor

Bauman-Kaszubska, Hanna

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Mechanics and Petrochemistry, Institute of Civil Engineering, Płock, Poland,

autor

Wójcicka, Karolina

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Mechanics and Petrochemistry, Institute of Civil Engineering, Płock, Poland,

Bibliografia

• [1] Z. Wang, J. Xie, K. Liu, J. Wang, H. Zhu, S. Qiang, and X. Shu, “Co-pyrolysis of sewage sludge and cotton stalks”, Waste Management, vol. 89, pp. 430-438, 2019, doi: 10.1016/j.wasman.2019.04.033.
• [2] C. Wang, M. Chen, L. Zhou, Y. Hou, P. Zhao, and D. Che, “Correlations of chemical properties of sludge: A comparison study between municipal sludge and industrial sludge”, Journal of the Energy Institute, vol. 108, art. no. 101202, 2023, doi: 10.1016/j.joei.2023.101202.
• [3] N. Marzougui, N. Ounalli, S. Sabbahi, T. Fezzani, F. Abidi, S. Jebari, S. Melki, R. Berndtsson, and W. Oueslati, “How Can Sewage Sludge Use in Sustainable Tunisian Agriculture Be Increased?”, Sustainability, vol. 14, no. 21, art. no. 13722, 2022, doi: 10.3390/su142113722.
• [4] A. Kelessidis and A.S. Stasinakis, “Comparative study of the methods used for treatment and final disposal of sewage sludge in European countries”, Waste Management, vol. 32, no. 6, pp. 1186-1195, 2012, doi: 10.1016/j.wasman.2012.01.012.
• [5] G. Przydatek and A.K. Wota, “Analysis of the comprehensive management of sewage sludge in Poland”, Journal of Material Cycles and Waste Management, vol. 22, pp. 80-88, 2020, doi: 10.1007/s10163-019-00937-y.
• [6] W. Bolesta, M. Głodniok, and K. Styszko, “From Sewage Sludge to the Soil - Transfer of Pharmaceuticals: A Review”, International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 19, no. 16, art. no. 10246, 2022, doi: 10.3390/ijerph191610246.
• [7] Information from the implementation of KPOŚK for 2021. [Online]. Available: https://www.wody.gov.pl/nasze-dzialania/krajowy-program-oczyszczania-sciekow-komunalnych. [Accessed: 9. Mar. 2023].
• [8] D. Fytili and A. Zabaniotou, “Utilization of sewage sludge in EU application of old and new methods - A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 12, no. 1, pp. 116-140, 2008, doi: 10.1016/j.rser.2006.05.014.
• [9] G. Bertanza, P. Baroni, and M. Canato, “Ranking sewage sludge management strategies by means of Decision Support Systems: A case study”, Resources, Conservation and Recycling, vol. 110, pp. 1-15, 2016, doi: 10.1016/j.resconrec.2016.03.011.
• [10] M. Kacprzak, E. Neczaj, K. Fijałkowski, A. Grobelak, A. Grosser, M. Worwag, A. Rorat, H. Brattebo, A. Almås, and B. R. Singh, “Sewage sludge disposal strategies for sustainable development”, Environmental Research, vol. 156, pp. 39-46, 2017, doi: 10.1016/j.envres.2017.03.010.
• [11] S. Sabbahi, L. Ben Ayed, M. Trad, R. Berndtsson, and P. Karanis, “Parasitological Assessment of Sewage Sludge Samples for Potential Agricultural Reuse in Tunisia”, International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 19, no. 3, art. no. 1657, 2022, doi: 10.3390/ijerph19031657.
• [12] H. Xiao, J. Chang, X. Xu, and P. Zhang, “Effects of Co-Digestion Sludge Application on Soil Productivity”, Processes, vol. 10, no. 10, art. no. 2097, 2022, doi: 10.3390/pr10102097.
• [13] K. Rusanescu, C.O. Rusanescu, M. Voicu, G. Paraschiv, G. Biris, and S.S. Popescu, “The Recovery of Vermicompost Sewage Sludge in Agriculture”, Agronomy, vol. 12, no. 11, art. no. 2653, 2022, doi: 10.3390/agronomy12112653.
• [14] K.D. Yadav, V. Tare, and M.M. Ahammed, “Integrated composting-vermicomposting process for stabilization of human faecal slurry”, Ecological Engineering, vol. 47, pp. 24-29, 2012, doi: 10.1016/j.ecoleng.2012.06.039.
• [15] J.C. Tu, Q.J. Zhao, L.L. Wei, and Q.Q. Yang, “Heavy metal concentration and speciation of seven representative municipal sludges from wastewater treatment plants in Northeast China”, Environmental Monitoring and Assessment, vol. 184, pp. 1645-1655, 2012, doi: 10.1007/s10661-011-2067-x.
• [16] J. Jensen and S.E. Jepsen, “The production, use and quality of sewage sludge in Denmark”, Waste Management, vol. 25, no. 3, pp. 239-247, 2005, doi: 10.1016/j.wasman.2004.08.011.
• [17] A.M. Latare, O. Kumar, S.K. Singh, and A. Gupta, “Direct and residual effect of sewage sludge on yield, heavy metals content and soil fertility under rice-wheat system”, Ecological Engineering, vol. 69, pp 17-24, 2014, doi: 10.1016/j.ecoleng.2014.03.066.
• [18] M. Bourioug, L. Alaoui-Sossé, X. Laffray, N. Raouf, M. Benbrahim, P.M. Badot, and B. Alaoui-Sossé, “Evaluation of sewage sludge effects on soil properties, plant growth, mineral nutrition state, and heavy metal distribution in European larch seedlings (Larix decidua)”, Arabian Journal for Science and Engineering, vol. 39, pp. 5325-5335, 2014, doi: 10.1007/s13369-014-1100-0.
• [19] R.P. Singh, P. Singh, M.H. Ibrahim, and R. Hashim, “Land Application of Sewage Sludge: Physicochemical and Microbial Response”, Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, vol. 214, 2012, doi: 10.1007/978-1-4614-0668-6_3.
• [20] N. Ekane, K. Barquet, and A. Rosemarin, “Resources and Risks: Perceptions on the Application of Sewage Sludge on Agricultural Land in Sweden, a Case Study”, Frontiers Sustainable Food Systems, vol. 5, art. no. 647780, 2021, doi: 10.3389/fsufs.2021.647780.
• [21] H. Hudcova, J. Vymazal, and M. Rozkosny, “Present restrictions of sewage sludge application in agriculture within the European Union”, Soil and Water Research, vol. 14, pp. 104-120, 2019, doi: 10.17221/36/2018-SWR.
• [22] R.P. Singh and M. Agrawal, “Potential benefits and risks of land application of sewage sludge”, Waste Management, vol. 28, no. 2, pp. 347-358, 2008, doi: 10.1016/j.wasman.2006.12.010.
• [23] F. Shahbazi, S. Ghasemi, H. Sodaiezadeh, K. Ayaseh, and R. Zamani-Ahmadmahmoodi, “The effect of sewage sludge on heavy metal concentrations in wheat plant (Triticum aestivum L.)”, Environmental Science and Pollution Research, vol. 24, pp. 15634-15644, 2017, doi: 10.1007/s11356-017-9178-z.
• [24] K. Fijalkowski, A. Rorat, A. Grobelak, A. and M.J. Kacprzak, “The presence of contamination in sewage sludge – the current situation”, Journal of Environmental Management, vol. 203, pp. 1126-1136, 2017, doi: 10.1016/j.jenvman.2017.05.068.
• [25] A. Rosińska, Emerging pollutants wyzwaniem dla gospodarki wodno-ściekowej. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, 2022.
• [26] Z. Li, H. Deng, L. Yang, G. Zhang, Y. Li, and Y. Ren, “Influence of potassium hydroxide activation on characteristics and environmental risk of heavy metals in chars derived from municipal sewage sludge”, Bioresource Technology, vol. 256, pp. 216-223, 2018, doi: 10.1016/j.biortech.2018.02.013.
• [27] A. Wojciula, D. Boruszko, and A. Kacprzak, “Distribution of Heavy Metal Fractions in Sewage Sludge from a Selected Municipal Sewage Treatment Plant”, Rocznik Ochrona Środowiska, vol. 23, pp. 369-383, 2021, doi: 10.54740/ros.2021.025.
• [28] R. Kowalik, A. Komór, J. Latosińska, J. Gawdzik, and M. Woźniak, “Analiza ryzyka kumulacji w glebie metali ciężkich z osadów ściekowych”, Forum Eksploatatora, no. 5, pp. 66-69, 2020.
• [29] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 6 lutego 2015 r. w sprawie wykorzystania komunalnych osadów ściekowych, Dz. U. z 2015 r., poz. 257.
• [30] Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 31 grudnia 2021 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie komunalnych osadów ściekowych, Dz. U. 2022 poz. 89.
• [31] Council Directive of 12 June 1986 on the Protection of the Environment, and in Particular of the Soil, when Sewage Sludge is Used in Agriculture (86/278/EEC). Council of the European Communities, Official Journal of the European Communities No. L 181/6-12.
• [32] S. Delibacak, L. Voronina, and E. Morachevskaya, “Use of sewage sludge in agricultural soils: Useful or harmful”, Eurasian Journal of Soil Science, vol. 9, no. 2, pp. 126-139, 2020, doi: 10.18393/ejss.687052.
• [33] D. Grgas, T. Štefanac, M. Barešić, M. Toromanović, J. Ibrahimpašić, T. Vukušić Pavičić, M. Habuda-Stanić, Z. Herceg and T. Landeka Dragičević, “Co-composting of Sewage Sludge, Green Waste, and Food Waste”, Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems, vol. 11, no. 1, 2021, doi: 10.13044/j.sdewes.d10.0415.
• [34] Komisja Europejska. [Online]. Available: https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/12328-Wykorzystanie-osadow-sciekowych-w-rolnictwie-ocena/feedback_pl?p_id$=$8009680{&}page$=$1. [Accessed: 16. Mar. 2023].
• [35] O. Zuloaga, P. Navarro, E. Bizkarguenaga, A. Iparraguirre, A. Vallejo, M. Olivares, and A. Prieto, “Overview of extraction, clean-up and detection techniques for the determination of organic pollutants in sewage sludge: a review”, Analytica Chimica Acta, vol. 736, pp. 7-29, 2012, doi: 10.1016/j.aca.2012.05.016.
• [36] I. Aparicio, J. L. Santos, and E. Alonso, “Limitation of the concentration of organic pollutants in sewage sludge for agricultural purposes: A case study in South Spain”, Waste Management, vol. 29, no. 5, pp. 1747-1753, 2009, doi: 10.1016/j.wasman.2008.11.003.
• [37] Q.Y. Cai, C.H. Mo, Q.T. Wu, Q.Y. Zeng, and A. Katsoyiannis, “Occurrence of organic contaminants in sewage sludges from eleven wastewater treatment plants, China”, Chemosphere, vol. 68, no. 9, pp. 1751-1762, 2007, doi: 10.1016/j.chemosphere.2007.03.041.
• [38] E.Z. Harrison, S.R. Oakes, M. Hysell, and A. Hay, “Organic chemicals in sewage sludges”, Science of the Total Environment, vol. 367, no. 2-3, pp. 481-497, 2006, doi: 10.1016/j.scitotenv.2006.04.002.
• [39] V.K. Vaithyanathan and H. Cabana, “Integrated biotechnology management of biosolids: Sustainable ways to produce value - Added products”, Frontiers in Water, vol. 3, art. no. 729679, 2021, doi: 10.3389/frwa.2021.729679.
• [40] X. Cheng, C. Wei, X. Ke, J. Pan, G. Wei, Y. Chen, C. Wei, F. Li, and S. Preis, “Nationwide review of heavy metals in municipal sludge wastewater treatment plants in China: Sources, composition, accumulation and risk assessment”, Journal of Hazardous Materials, vol. 437, 2022, doi: 10.1016/j.jhazmat.2022.129267.
• [41] K. Ignatowicz, “The impact of sewage sludge treatment on the content of selected heavy metals and their fractions”, Environmental Research, vol. 156, pp. 19-22, 2017, doi: 10.1016/j.envres.2017.02.035.
• [42] F. Beduk, “Combined Effects of Cadmium and Azithromycin on Soil Nitrification Process”, Water, vol. 15, no. 5, 2023, doi: 10.3390/w15050881.
• [43] A.M. Latare, O. Kumar, S.K. Singh, and A. Gupta, “Direct and residual effect of sewage sludge on yield, heavy metals content and soil fertility under rice-wheat system”, Ecological Engineering, vol. 69, pp. 17-24, 2014, doi: 10.1016/j.ecoleng.2014.03.066.
• [44] D. Xiao, H. Li, Y. Wang, G. Wen, and C. Wang, “Distribution Characteristics of Typical Heavy Metals in Sludge from Wastewater Plants in Jiangsu Province (China) and Their Potential Risks”, Water, vol. 15, no. 2, art. no. 313, 2023, doi: 10.3390/w15020313.
• [45] B. Duan and Q. Feng, “Risk Assessment and Potential Analysis of the Agricultural Use of Sewage Sludge in Central Shanxi Province”, International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 19, no. 7, art. no. 4236, 2022, doi: 10.3390/ijerph19074236.
• [46] A.D. Shende and G.R. Pophali, “Sewage and faecal sludge management; revisiting discharge standards in India”, International Journal of Environmental Science and Technology, vol. 20, pp. 12793-12806, 2022, doi: 10.1007/s13762-022-04688-6.
• [47] M.J. Kacprzak, “Krytyczna ocena dyrektywy osadowej”, Wodociągi i Kanalizacja, no. 12, pp. 32-35, 2020.
• [48] Q. Zhang, J. Hu, D-J. Lee, Y. Chang, and Y-J. Lee, “Sludge treatment: Current research trends”, Bioresource Technology, vol. 243, pp. 1159-1172, 2017, doi: 10.1016/j.biortech.2017.07.070.
• [49] D.S. Ing, R.P. Jaya, C.M. Ho, S. C. Chin, M. Nabiałek, M.M.A.B. Abdullah, S. Garus, A. Śliwa, “The impact of microwave treatment on the chemical properties of sewerage sludge”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 1, pp. 365-377, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.140173.
• [50] J. Gawdzik, Mobilność wybranych metali ciężkich w osadach ściekowych. Kielce: Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, 2013.
• [51] M. Jakubus and J. Czekała, “Heavy metal speciation in sewage sludge”, Polish Journal of Environmental Studies, vol. 10, no. 4, pp. 245-250, 2001.
• [52] A. Rajmund and M. Bożym, “Ocena zawartości metali ciężkich w wiejskich osadach ściekowych i kompostach w aspekcie ich przyrodniczego wykorzystania”, Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie, vol. 13, no. 4(44), pp. 103-113, 2013.
• [53] L.Dąbrowska and A. Rosińska, “Change of PCBs and forms of heavy metals in sewage sludge during thermophilic anaerobic digestion, Chemosphere, vol. 88, no. 2, pp. 168-173, 2012, doi: 10.1016/j.chemosphere.2012.02.073.
• [54] E. Yakamercan, A. Ari, and A. Aygün, “Land application of municipal sewage sludge: Human health risk assessment of heavy metals”, Journal of Cleaner Production, vol. 319, art. no. 128568, 2021, doi: 10.1016/j.jclepro.2021.128568.
• [55] S. Koyuncu, “Occurrence of organic micropollutants and heavy metals in the soil after the application of stabilized sewage sludge”, Journal of Environmental Health Science and Engineering, vol. 20, no. 1, pp. 385-394, 2022, doi: 10.1007/s40201-022-00785-3.
• [56] P.S. Kidd, M.J. Domínguez-Rodríguez, J. Díez, and C. Monterroso, “Bioavailability and plant accumulation of heavy metals and phosphorus in agricultural soils amended by long-term application of sewage sludge”, Chemosphere, vol. 66, no. 8, pp. 1458-1467, 2007, doi: 10.1016/j.chemosphere.2006.09.007.
• [57] Y-M. Liu, D-Y. Liu, W. Zhang, X-X Chen, Q-Y. Zhao, X-P. Chen, and C-Q. Zou, “Health risk assessment of heavy metals (Zn, Cu, Cd, Pb, As and Cr) in wheat grain receiving repeated Zn fertilizers”, Environmental Pollution, vol. 257, art. no. 113581, 2020, doi: 10.1016/j.envpol.2019.113581.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.150977