Ocena wpływu mikrofalowej higienizacji osadów ściekowych na

Ocena wpływu mikrofalowej higienizacji
osadów ściekowych
na mobilność metali ciężkich
Tabela
Stężenie metali ciężkich w badanych osadach ściekowych
Metal
[M-g/g
s.m.o]
Dawka promieniowania mikrofal
[kJ/ g osadu]
Frakcje"
0
ii
'
i
Magdalena Radosz, Jarosław Gawdzik*^
Osady ściekowe wykazują wysokie walory glebotwórcze i nawozowe. Dominującym kryterium przyrodniczego wykorzystania osadów jako cennego nawozu organicznego jest zawartość składników pokarmowych i substancji organicznych [1].
Materia organiczna, która stanowi średnio
60% s.m.o. poprawia właściwości fizyczne
gleby zwiększając jej pojemność sorpcyjną.
Składniki pokarmowe (N - 2,5%, P - 3%,
K - 0,5%) dostarczają substancji mineralnych niezbędnych do życia roślin i mikroorganizmów glebowych. Zastosowanie
osadów ściekowych w rolnictwie związane jest z szeregiem ograniczeń wynikających z obecności w osadach metali ciężkich i mikroorganizmów chorobotwórczych. Osady ściekowe stanowią poważne
zagrożenie sanitarne. Mogą być źródłem
zakażenia bakteriami rodzaju Salmonella,
Pseudomonas areuginose, jajami pasożytów jelitowych, wirusami, grzybami i pleśniami [2], [3]. Metale ciężkie wprowadzone do środowiska mogą ulegać akumulacji
w glebie i organizmach żywych, powodując
zachwianie głównych procesów przemiany
materii. Biokumulacja metali w roślinach
uzależniona jest od gatunku roślin oraz
zawartości frakcji mobilnych.
W osadach ściekowych metale ciężkie
mogą występować w formach mobilnych,
które migrują z osadów do nawożonej gleby
oraz formach niemobilnych, nie mających
istotnego znaczenia w aspekcie toksykologicznym w określonych warunkach środowiskowych. Za mobilne uznajemy metale
występujące w kompleksach jonowymien-
*> Mgr inż, Magdalena Radosz - Połitechntka Świętokrzyska, Kieice, Wydział
Budownictwa i Inżynierii Środowiska: Katedra Technologii Wody i Ścieków, tel. (0-41)
3424574, e-mail: [email protected];
dr inż. Jarosław Gawdzik - Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Samodzielny Zakład Chemii Sanitarnej i Gospodarki
Odpadami, tef, (0-41) 3424668, e-mail:
Gawdzik @ tu, kielce.pl
24
lii
i
:
nych, ulegające zatrzymaniu lub eluacji
w zależności od składu jonowego wód porowych. Do form łatwo dostępnych dla roślin zaliczamy także metale związane z węglanami, które mogą być uwalniane przy
obniżeniu odczynu gleby. Formy trwałe
stanowią metale związane z tlenkami manganu i amorficznymi tlenkami żelaza oraz
krzemianami i metale wchodzące w skład
struktur krystalicznych minerałów.
Formy występowania metali ciężkich
mogą ulegać przemianom podczas procesów przeróbki i unieszkodliwiania osadów,
np. z procesów higienizacji. Higienizacja
to proces niszczenia mikroorganizmów
chorobotwórczych. Prowadzony jest przed
rolniczym wykorzystaniem osadów ściekowych. Obecnie w Polsce stosuje się kilka
metod higienizacji. Do najpopularniejszych zaliczamy: wapnowanie, kompostowanie, pasteryzację, stabilizację w warunkach tlenowych i beztlenowych. Badania
prowadzone przez autorów wykazały, że
skuteczną metodą niszczenia mikroorganizmów chorobotwórczych jest mikrofalowa
higienizacja osadów ściekowych [4]. Osady
ściekowe jako materiały dielektryczne pochłaniają energie mikrofal, ulegając ogrzewaniu. Obserwowany wzrost temperatury
osadu jest przyczyną śmierci mikroorganizmów. Wysoka temperatura prowadzi do
wzrostu ciśnienia wewnątrz komórek bakteryjnych, a w konsekwencji do ich pękania. Ponadto powoduje zmiany w budowie
białek strukturalnych i enzymatycznych.
Zachodzi pytanie, czy energia mikrofal
wykorzystywana w procesach higienizacji
osadów ściekowych wpływa na mobilność
metali ciężkich.
Celem artykułu jest wykazanie, czy formy występowania metali ciężkich ulegają
przemianom pod wpływem fal elektromagnetycznych o niskiej energii.
Metodyka badań
Badania nad mobilnością metali ciężkich
prowadzono na osadach ściekowych ustabilizowanych beztlenowe na drodze fermen-
Cu
|=a|?
ii
III
li
G.5
~:~.
1
19,8
|
0,5
0,6
0,3
0,2
0,04
0,1
29,1
28,9
28,9
26,3
IV
32,3
36,2
34,5
37,1
suma
62,0 1
65,8
63,8
63,6
I
S9U?
127,1
83,4
77.
H
44,4
1074
|,359,2
i
i:RQ,8
313.8
351.9
170,9
203,2
••684,4
..;,:•
.786,0
1,8
2,1
1,7
1,7
0,5
0,9
1,0
0,7
29,2
40,1
43,5
34,0
IV
236,3
252,2
235,0
191,3
suma
267,8
295,3
281,2
227,7
2,1
, 13
j g
V '«$;•:
•
§
-
i
36,1
33J
lii
:
1,5'
1,6
'
::3ftć |
U!
j
• \-ii0: •
••2'tfjs-
215,7
II
0
0
0
0,1
III
0,1
0,1
0,1
0
IV
0,4
0,4
0,5
0,4
suma
0,7
0,7
0,7
0,7
: ./:.: :.
1
::;?«
III
:::.\\ : •" ••
Hg
c,::
0,1
In
'-.
15
IS
0,1
I
II
f\
6
i
ii
in
IY
Pb
n
3
*' Frakcja 1 - metale zaadsorbowane na cząstkach osadów
Frakcja II - metale związane z węglanami, wodorowęglanami manganu i żelaza
Frakcja III - metale związane z materią organiczną
Frakcja IV -metale związane z glinokrzemianam
tacji metanowej. Uwodnienie osadów wyniu mikrofal o częstotliwości 2450 MHz.
Dawki promieniowania fal elektromagnetycznych wynosiły od O do 15 kJ/g osadu.
W celu określenia wpływu mikrofal na mobilność metali w osadach przed i po procesie mikrofalowania oznaczono zawartości poszczególnych form metali ciężkich.
GAZ, WODA l TECHNIKA SANITARNA 4/2005
Dawka promieniowan a
3 kJ/g osadu
90]•*
•6
&
.v
80
/
70
sV
*V
em
1 60
|J 508
40 •"•"
s
i
30
1
20
10
-
mm
tm
«» RS
tfl-«b |L__
r*S
n
l
in
H
,v
fJH.
K
ilsL
V
\
t
.V
IV
Formy występowania metali
Formy występowania metali
nCd aCu oZn»Pb oCr oHg
°CdsCu»Zn«»Pb°Crs>Hg
Byś. 1. Procentowy udział metali ciężkich występujących w poszczególnych formach mobilności
Analizowano zawartość Cu, Cd, Pb, Hg,
Zn, Cr. Stężenia pierwiastków określono
wykorzystując spektrofotometr absorpcji
atomowej Perkin-Elmer 3100 FA AS. Formy występowania metali ciężkich oznaczono w oparciu o metodę sekwencyjnej ekstrakcji chemicznej. Zastosowano analitykę
proponowaną przez European Community
Bureau of Reference [5] [6]. Metoda ta
została częściowo zmodyfikowana. Wprowadzone zmiany dotyczyły mineralizacji
frakcji rezydualnej. Zastosowano mineralizację z udziałem wody królewskiej.
Odważoną próbę osadu wysuszonego do
stałej masy przeniesiono do probówki wirnikowej na 100 cm3. Następnie dodano
40 cm3 0,11-molowego kwasu octowego.
Próbę wytrząsano przez 16 h w temperaturze pokojowej. Oddzielono ekstrakt od osadu poprzez wirowanie (4000 obr./min).
W cieczy oznaczono zawartość metali rozpuszczalnych w wodzie. Osad przemyto
20 cm3 wody destylowanej poprzez wytrząsanie i wirowanie. Następnie do osadu
dodano 40 cm3 O, l-molowego roztworu
chlorowodorku hydroksyloaminy o pH 2.
1
§
$
1
Rys. 2. Procentowy udział metali ciężkich występujących w poszczególnych formach mobilności dla dawki promieniowania 3 kJ/g osadu
Do korekty odczynu wykorzystano kwas
azotowy. Postępowano jak w poprzednim
etapie (wytrząsano i wirowano). W cieczy
oznaczono metale frakcji II, a osad przepłukano. Następnie osad przeniesiono ilościowo do parownic kwarcowych i dodano
10 cm3 30% H2O2. Zawartość parownicy
ogrzewano w łaźni wodnej w temperaturze
85°C przez ok. l h. Czynność powtórzono
dodając do osadu 10 cm3 8,8-molowy roztwór H2O2. Po ochłodzeniu próby osad
przeniesiono z powrotem do probówek wirnikowych, po czym dodano 50 cm3 roztworu octanu amonu o stężeniu l mol/dm 3
(pH 2 roztworu). Wytrząsano próbę przez
16 h, a następnie oddzielono osad od ekstraktu. W roztworze oznaczono formy metali III. Osad przemyto i wysuszono do stałej masy. Mineralizację frakcji rezydualnie
przeprowadzono z udziałem wody królewskiej. Do kolby odważono 0,5 g osadu, dodano 30 cm3 HC1 i 10 cm3 HNO3. Zawartość kolby ogrzewano przez 30 min, następnie odparowano do sucha. Po ochłodzeniu dodano 25 cm3 HC1 (1+5), rozpuszczono osad i przeniesiono do kolby pomia-
3
rowej na 50 cm i uzupełniono wodą do
kreski, wymieszano i przesączono zawartość kolby do suchego naczynia. W przesączu oznaczono formy metali IV.
Omówienie wyników badań
Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, że najwięcej w analizowanych osadach ściekowych występuje
cynku, tj. 684,1-753,8 u.g/g s.m.o. Bardzo małe stężenie odnotowano w przypadku rtęci (0,7 ng/g s.m.o). Zawartość pozostałych pierwiastków wahała się w granicach dla: miedzi: 62-65,8 jig/g s.m.o,
kadmu: 18,7-21,9 ng/g s.m.o, ołowiu: 227,7-295,3 ng/g s.m.o, chromu: 198,6-215,7 ng/g s.m.o (tabela).
Podczas badań zaobserwowano, że
w osadach ściekowych obecne są różnorodne formy metali ciężkich. Metale te
występują głównie w formach niedostępnych dla roślin (frakcja IV). W przypadku frakcji IV ołów stanowił aż 88%. Niewiele mniejszy udział procentowy uzyskano dla chromu i rtęci (rys. 1).
Dawka promieniowania
15 kJ/g osadu
Dawka promieniowania
6 kJ/g osadu
90
80
70
60
7 50
40
Jr
30
20
10
II
Formy występowania metali
OCd BCu BZn BPb OCr DHg
Rys. 3. Procentowy udział metali ciężkich występujących w poszczególnych formach mobilności dla dawki promieniowania 6 kJ/g osadu
GAZ, WODA l TECHNIKA SANITARNA 4/2005
O
Formy występowan a metali
OCd BCu BZn BPb OCr BHg
Rys. 4. Procentowy udział metali ciężkich występujących w poszczególnych formach mobilności dla dawki promieniowania 15 kJ/g osadu
25
Dużą zawartość stanowiły także metale
związane z materią organiczną. W przypadku frakcji III dominowały: kadm, miedź
i cynk.
W badanych osadach zawartość metali
mobilnych (frakcja I i II) w porównaniu
z niemobilnymi była bardzo mała. Nie
zaobserwowano miedzi i chromu, związanych z węglanami i wodorotlenkami żelaza i manganu, a udział pozostałych pierwiastków wahał się od 1-6%. W przypadku metali z frakcji I, rozpuszczalnych
w wodzie, największy udział odnotowano
w przypadku rtęci - 22% i cynku - 13%.
Kadm, miedź, ołów i chrom stanowiły tylko 1%.
Prowadzone badania wykazały także, że
zawartość metali ciężkich i form ich występowania przed i po napromieniowaniu
osadu energią mikrofal nie ulega zbyt dużej zmianie. Dla analizowanych dawek
promieniowania: 3, 6, 15 kJ/g osadu, podobnie jak dla osadu nie poddanego działaniu mikrofal, dominują metale powiązane
z glinokrzemianami i materią organiczną.
Znacznie mniej występuje metali należących do frakcji I i II (rys. 2, 3, 4).
Analizując poszczególne frakcje nie
stwierdzono istotnego wpływu mikrofal
na zawartość metali ciężkich w higienizowanych osadach ściekowych. Rozkład
stężeń na ogół charakteryzuje się zmiennością. Jedynie w przypadku Cd, Hg i Zn
zaobserwowano niewielką zmienność zawartości metali. W przypadku Pb i Cu frakcja II oraz Cr — frakcja I niezależnie
od dawki mikrofal zawartość pierwiastka
była stała.
Wnioski
Z przeprowadzonych analiz i obserwacji wynika, że w badanych osadach ściekowych metale ciężkie występują głównie w formach niedostępnych dla roślin
i organizmów glebowych. Formy te nie
stwarzają zagrożenia dla środowiska gruntowo wodnego. Mikrofale wykorzystywane w procesach higienizacji nie wpływają istotnie na mobilność metali ciężkich.
Niezależnie od dawki fal elektromagnetycznych stężenie poszczególnych form
pierwiastków nie ulega zmianie. W osadach przed i po napromieniowaniu dominują te same formy metali. Są to pierwiastki związane z materią organiczną i wbudowane w sieć krystaliczną minerałów.
PIŚMIENNICTWO
[1] Wierzbicki L. W.: Wykorzystanie komunalnych
osadów ściekowych do celów rolniczych, Inżynieria i Ochrona Środowiska. 2003, 6.
[2] Michałkiewicz M., Michałkiewicz M.: Pasożyty
człowieka w wodzie, ściekach i osadach, Gaz Woda
i Technika Sanitarna, 2003, 6.
[3] Carrington E. G.: Evaluation of sludge treatments
for pathogen reduction — Finał report.
[4] Office for Official Publications of the European
Communities, Luxembourg 2001.
[5] Łomotowski J., Radosz M., Markowska A.: Mikrofalowa higienizacja osadów ściekowych, Inżynieria
Ekologiczna nr 7, Ekoinżynieria dla Ekorozwoju,
Warszawa, 2002.
[6] Alvarez Alonso E., Mochon Callejon M., Sanchez Jimenez J. C.: Heavy metal extractable forms
in sludge from wastewater treatment plants, Chemosphere, 2002, 47.
"Z okazji jubileuszu 110-lecia bielskich wodociągów oraz 15-lecia Spółki Akcyjnej Aqua w Bielsku-Biatej
Bielslta-Biafa
S, A,
uprzejmie zaprasza do udziafu
w Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej: „Problemy zaopatrzenia w wodę i oczyszczania ścieków w warunkach gospodarki rynkowej i wymogów Unii Europejskiej", która odbędzie się w Szczyrku k/ Bielska-Białej, w dniach 5-7 października 2005 roku.
Celem Konferencji jest prezentacja najnowszych osiągnięć i wymiana doświadczeń w dziedzinie zaopatrzenia w wodę oraz odprowadzania i oczyszczania ścieków.
Tematyka Konferencji obejmuje zagadnienia formalno-prawne
oraz techniczno-ekonomiczne związane z funkcjonowaniem
przedsiębiorstw wodociągowo-kanalizacyjnych w warunkach
gospodarki rynkowej Unii Europejskiej.
Do udziału w konferencji zapraszamy:
- pracowników naukowych,
- przedstawicieli przedsiębiorstw wodociągowo-kanalizacyjnych
- przedstawicieli jednostek samorządu terytorialnego wszystkich
szczebli
- producentów i dystrybutorów technologii i urządzeń z firm aktywnych na rynku gospodarki wodno-ściekowej
PROBLEMATYKA KONFERENCJI
- Ustawa o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków a funkcjonowanie przedsiębiorstw wodociągo-kanalizacyjnych
- Problemy w dostosowaniu gospodarki wodno-ściekowej do
dyrektyw Unii Europejskiej
- Przekształcenia własnościowe w sektorze wodno-ściekowym,
na przykładzie m.in. AQUA S.A.
-Wskaźniki efektywności przedsiębiorstw wodociągowo-kanalizacyjnych
-Gospodarka zasobami wodnymi
-Analiza ryzyka i niezawodności funkcjonowania systemów zaopatrzenia w wodę
- Nowoczesne rozwiązania w robotach wodociągowo-kanalizacyjnych
- Współczesne technologie oczyszczania wód i ścieków
- Profilaktyka stanu sieci wodociągowych - założenia techniczno-ekonomiczne
Koszt uczestnictwa wynosi 600 zł. Opłata obejmuje udział w obradach, materiały konferencyjne, posiłki i udział w imprezach towarzyszących.
Szczegółowe informacje o konferencji można uzyskać u organizatora:
Bożena Carbol, AOUA S.A.,
tel. (033) 8280 273; e-mail: [email protected]
AO.UA S.A„ ul. t Maja 23, 43-300 Bielsko-Biała, tel.: (033) 8280 200, 8280210, fax: (033J 812 40 15; e-mail: [email protected], www.aqua.com.pl
26
GAZ, WODA l TECHNIKA SANITARNA 4/2005