METALE ŚLADOWE W KOMUNALNYCH OSADACH ŚCIEKOWYCH WYTWARZANYCH W POLSCE

Transkrypt

1 roceedings of ECOpole Vol. 2, No Grzegorz IEBIELEC 1 i Tomasz TUCZYŃKI 1 METALE ŚLADOWE W KOMUNALNYCH OADACH ŚCIEKOWYCH WYTWARZANYCH W OLCE TRACE METAL IN MUNICIAL BIOOLID RODUCED IN OLAND Abstrakt: W ostatnich latach nastąpił wzrost liczby oczyszczalni w olsce - w następstwie doszło do znacznego wzrostu ilości osadów produkowanych przez komunalne oczyszczalnie ścieków. Jedną z metod przyrodniczego zagospodarowania osadów ściekowych może być ich zastosowanie w rolnictwie do celów nawozowych lub do rekultywacji pod warunkiem, że ich stosowanie będzie bezpieczne dla środowiska glebowego. Ilość osadów wykorzystywanych do celów nawozowych i rekultywacji jest w olsce niewielka w porównaniu z innymi krajami Unii Europejskiej i UA. Kontrowersje związane z szerszym stosowaniem osadów głównie dotyczą obecności zanieczyszczeń w osadach ściekowych, w tym metali śladowych. Celem badań było rozpoznanie poziomu zanieczyszczenia metalami aktualnie wytwarzanych w olsce osadów ściekowych. Zawartość metali śladowych w osadach była oceniana w odniesieniu do obowiązujących przepisów regulujących przyrodnicze stosowanie osadów ściekowych oraz ryzyka związanego z wprowadzeniem osadów do środowiska glebowego. W ramach badań przeprowadzono charakterystykę właściwości fizykochemicznych 60 osadów, reprezentatywnych dla różnych procesów technologicznych oczyszczania ścieków, wielkości miasta i geograficznego położenia. Badania zawartości pierwiastków śladowych w osadach ściekowych obejmowały całkowitą zawartość następujących pierwiastków: kadm, cynk, ołów, miedź, nikiel i chrom. onadto oznaczono: zawartość materii organicznej i jej cechy jakościowe, odczyn, całkowitą zawartość makroelementów oraz pojemność sorpcyjną osadów ściekowych. Wśród metali śladowych największą zmiennością charakteryzowały się zawartości kadmu, chromu i niklu. Trzydzieści pięć spośród 60 osadów spełniało normy zawartości metali śladowych dla stosowania w rolnictwie, co stanowi 58% wszystkich osadów. pośród analizowanych metali najwięcej przekroczeń dopuszczalnej zawartości odnotowano w przypadku cynku i kadmu. Ocena rozkładu zawartości poszczególnych metali w osadach wskazuje na wzbogacenie osadów śląskich w kadm i ołów w porównaniu z pozostałym obszarem kraju, w przypadku pozostałych metali brak jest istotnych różnic. łowa kluczowe: materia organiczna, metale śladowe, osady ściekowe, pojemność sorpcyjna W ostatnich latach nastąpił szybki wzrost liczby oczyszczalni, a także zmiany w technologii oczyszczania ścieków. W następstwie tego doszło do znacznego wzrostu ilości osadów produkowanych w olsce przez komunalne oczyszczalnie ścieków, a także do zmian jakościowych wytwarzanych osadów [1]. Jedną z metod przyrodniczego zagospodarowania osadów ściekowych może być ich zastosowanie w rolnictwie do celów nawozowych lub do rekultywacji, szczególnie w sytuacji niedoborów nawozów organicznych powszechnie dotąd stosowanych i obserwowanego w niektórych regionach spadku zawartości materii organicznej w glebie [2]. Kontrowersje związane z szerszym stosowaniem osadów głównie dotyczą obecności zanieczyszczeń w osadach ściekowych, w tym metali śladowych. Celem badań było rozpoznanie poziomu zanieczyszczenia metalami aktualnie wytwarzanych w olsce osadów ściekowych. Zawartość metali śladowych w osadach była oceniana w kontekście obowiązujących przepisów regulujących przyrodnicze stosowanie osadów ściekowych oraz ryzyka związanego z wprowadzeniem osadów do środowiska glebowego. Ocena ta była oparta na wykorzystaniu reprezentatywnej grupy osadów ściekowych pochodzących z różnych obiektów i procesów 1 Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa - IB, ul. Czartoryskich 8, uławy, tel fax , gs@iung.pulawy.pl

2 2 Grzegorz iebielec i Tomasz tuczyński technologicznych. Jednym z celów badań było określenie zawartości metali w osadach ściekowych produkowanych na terenie Górnego Śląska - jest to obszar o dużym nasyceniu aglomeracjami i dużej liczbie oczyszczalni ścieków. Historyczna i aktualna aktywność przemysłowa może być czynnikiem wpływającym na poziom metali śladowych w osadach ściekowych w tym rejonie. Materiały i metody W badaniach wykorzystano 60 próbek osadów ściekowych zebranych w latach z 43 różnych oczyszczalni ścieków. W przypadku kilkunastu oczyszczalni pobrano 2 próbki osadów o różnym czasie składowania. Osady w stanie świeżym (32 spośród 60 wykorzystanych w badaniach) pobrano bezpośrednio ze stacji mechanicznego odwadniania po ich odprasowaniu bądź odwirowaniu. Osady starsze pobrano z poletek osadowych, udokumentowanych w sposób umożliwiający wiarygodne określenie ich wieku. Trzydzieści dwie próbki osadów reprezentowało oczyszczalnie ścieków położone na terenie Górnego Śląska. odstawowe właściwości osadów, takie jak całkowita zawartość materii organicznej, odczyn lub zawartość azotu i fosforu oznaczono metodami powszechnie stosowanymi w gleboznawstwie opisanymi szczegółowo w przewodnikach metodycznych [3]. Całkowite zawartości makroelementów i pierwiastków śladowych w osadach oznaczono po mineralizacji próbek w wodzie królewskiej metodą absorpcyjnej spektrometrii atomowej (Ca, Mg, Zn, b, Cd, Ni, Cu, Cr, Mn, Fe) oraz metodą emisyjnej spektrometrii atomowej (K, Na). kład frakcyjny materii organicznej (zawartość kwasów huminowych i fulwowych) określono metodą Kononowej-Bielczikowej po ekstrakcji kwasów próchnicznych pirofosforanem sodu. Wyniki i ich analiza Wyniki badań właściwości fizykochemicznych badanych osadów wskazują na duże ich zróżnicowanie (tab. 1). oszczególne właściwości fizykochemiczne z wyjątkiem odczynu charakteryzuje bardzo duża zmienność, zwłaszcza w odniesieniu do niektórych metali śladowych: kadmu, cynku i ołowiu. twierdzony zakres zmienności materii organicznej w osadach (18,9 59,5%) można tłumaczyć różnym poziomem sprawności wstępnego oczyszczania ścieków z cząstek mineralnych w piaskownikach oraz zróżnicowaniem stopnia mineralizacji. Wyniki oznaczeń składu jakościowego materii organicznej osadów (kwasy huminowe i fulwowe) wskazują na jego duże zróżnicowanie. Duży udział frakcji mineralnej w osadach świeżych może być wynikiem przedostawania się do obiegu oczyszczalni ładunków z kanalizacji ogólnospławnej. W grupie analizowanych osadów ściekowych stwierdzono duże zróżnicowanie zawartości wapnia i magnezu (tab. 1), co najprawdopodobniej związane jest z pochodzeniem wody dla potrzeb komunalnych. Najwięcej wapnia (kilka procent) zawierały osady ściekowe z miast zaopatrywanych przez studnie głębinowe. Według dostępnych informacji żaden ze zgromadzonych osadów nie był wapnowany w celach higienizacyjnych. Zróżnicowana zawartość fosforu (współczynnik zmienności 54%) wynika z charakteru zlewni ścieków oraz technologii oczyszczania ścieków. oziom zawartości fosforu w osadach zależy od skuteczności jego wytrącania ze ścieku w postaci połączeń nierozpuszczalnych w wodzie. Ze względu na to, że przeważająca część fosforu

3 Metale śladowe w komunalnych osadach ściekowych wytwarzanych w olsce 3 zawartego w ściekach komunalnych pochodzi z fosforanów występujących w detergentach, najbardziej zasobne w fosfor są osady powstające po oczyszczeniu ścieków komunalnych pochodzących z dużych aglomeracji. Zakres i współczynniki zmienności właściwości chemicznych badanych osadów ściekowych Tabela 1 arametr Średnia (Mediana) Zakres Współczynnik zmienności [%] Materia organiczna [%] 42,2 (43,3) 13,6 65,1 33 Kwasy huminowe [mgc KH /100 g] 2163 (2139) Kwasy fulwowe [mgc KF /100 g] 3898 (3938) ph w H 2 O 6,79 (6,73) 5,7 13,4 14 ojemność sorpcyjna rzeczywista [cmol(+)/kg] 56,3 (54,1) 14,4 113,3 42 ojemność sorpcyjna potencjalna [cmol(+)/kg] 66,2 (63,7) 16,6 117,7 35 Azot [%] 2,61 (2,48) 0,55 5,64 49 Fosfor [%] 1,83 (1,75) 0,14 4,08 47 Wapń [%] 3,93 (3,82) 0,81 19,9 62 Żelazo [%] 2,67 (2,11) 0,63 8,51 60 Magnez [%] 0,58 (0,55) 0,01 1,70 73 otas [%] 0,25 (0,21) 0,09 0,87 57 ód [%] 0,06 (0,05) 0,01 0,15 50 Mangan [mg kg 1 ] 539 (451) Kadm [mg kg 1 ] 10,5 (4,95) 1,1 149,1 198 Nikiel [mg kg 1 ] 69,2 (39,1) Miedź [mg kg 1 ] 184 (154) Ołów [mg kg 1 ] 173 (132) Chrom [mg kg 1 ] 320 (69,9) Cynk [mg kg 1 ] 2135 (1760) Metale śladowe Wśród metali śladowych największą zmiennością charakteryzowały się zawartości kadmu, chromu i niklu (tab. 1). krajnie duże zawartości kadmu (149,1 mg/kg) stwierdzono w osadach z Chrzanowa, co jest wynikiem spływu do kanalizacji wód powierzchniowych z niezrekultywowanych składowisk odpadów hutniczych. Niektóre z osadów ściekowych, głównie pochodzących z Górnego Śląska (1/4 osadów górnośląskich), nie spełniały kryteriów granicznych dla zawartości kadmu dopuszczalnych dla rolniczego wykorzystania - 10 mg kg 1 [4] (tab. 2). W dwu osadach pochodzących spoza Górnego Śląska stwierdzono bardzo duże zawartości kadmu, powyżej 50 mg kg 1, co prawdopodobnie świadczy o dopływie ścieków o charakterze przemysłowym do kanalizacji ogólnospławnej. Zauważalny jest wyraźny wpływ położenia w regionie przemysłowym na zawartość kadmu w osadach, o czym świadczy porównanie takich charakterystyk, jak mediana, średnia lub 75 percentyl pomiędzy osadami z Górnego Śląska i pozostałego obszaru (rys. 1). Nie stwierdzono wyraźnych różnic pomiędzy osadami śląskimi i pobranymi z innych rejonów pod względem zawartości niklu - w obu grupach osadów mediana zawartości pierwiastka jest bliska 40 mg kg 1. Znacznie wyższa średnia zawartość niklu w grupie osadów spoza Górnego Śląska wynika z silnego zanieczyszczenia pierwiastkiem jednego z osadów (1171 mg kg 1 ) (rys. 1). iedem z 60 osadów ściekowych zawierało nadmierne, pod względem przydatności rolniczej, ilości niklu, przy czym 5 z ich pochodziło spoza przemysłowego regionu Górnego Śląska (tab. 2).

4 4 Grzegorz iebielec i Tomasz tuczyński Tabela 2 Udział osadów ściekowych spełniających kryteria zawartości metali śladowych dopuszczalne przy rolniczym stosowaniu osadów według Rozporządzenia Ministra Środowiska w sprawie komunalnych osadów ściekowych z 2002 roku ierwiastek Udział osadów spełniających kryterium Limit Górny Śląsk (n = 32) ozostały obszar kraju (n = 28) [mg kg 1 ] liczba % liczba % Kadm Nikiel Miedź Ołów Chrom Cynk Wszystkie metale Zawartość miedzi w osadach ściekowych nie jest czynnikiem ograniczającym przydatność osadów do nawożenia gleb. W żadnym z osadów nie stwierdzono przekroczeń zawartości pierwiastka, a największa zmierzona zawartość wynosi niecałe 450 mg kg 1, przy zawartości dopuszczalnej 800 mg kg 1 (tab. 1). Brak jest również wyraźnych różnic pomiędzy obszarem typowo przemysłowym a resztą kraju (rys. 1). Zawartość ołowiu w osadach pobranych poza obszarem Górnego Śląska nie przekracza zawartości dopuszczającej wykorzystanie osadu w rolnictwie (500 mg kg 1 ). pośród osadów górnośląskich jedynie w dwu osadach stwierdzono przekroczenia wspomnianego limitu zawartości pierwiastka. W grupie osadów z Górnego Śląska zawartości ołowiu są podwyższone w stosunku do pozostałej części kraju, co wynika zapewne ze zmywu pyłów przemysłowych do kanalizacji miejskiej przez wody deszczowe. Jednakże nawet w grupie osadów górnośląskich połowa próbek zawiera nie więcej niż 144 mg b w kg osadu (rys. 1). W przypadku chromu maksymalna zawartość metalu w osadzie dla zastosowania rolniczego wynosi 500 mg kg 1. W 6 próbkach osadów (10% wszystkich próbek) stwierdzono przekroczenia zawartości dopuszczalnej, przy czym 4 z nich pochodziły spoza obszaru Górnego Śląska (tab. 2). Nie obserwuje się zwiększonych ilości chromu w osadach z regionu przemysłowego w porównaniu do grupy referencyjnej. Generalnie zawartości chromu w osadach są małe, wartości środkowe wynoszą 81, 62 i 70 mg kg 1 dla, odpowiednio, Górnego Śląska, pozostałego obszaru oraz całej grupy osadów. Wysokie zawartości chromu w niektórych osadach wynikają z dopływu ścieków przemysłowych, np. garbarskich. Zawartości cynku w badanej grupie osadów przyjmują szeroki zakres ( mg kg 1 ). Jedna czwarta osadów nie spełniała kryteriów zawartości pierwiastka dla rolniczego stosowania (limit 2500 mg kg 1 ). Interesujący jest brak istotnych różnic pomiędzy grupą osadów z Górnego Śląska a grupą referencyjną pod względem zawartości cynku (rys. 1). rzekroczenia zawartości cynku odnotowano zarówno w osadach zebranych na obszarze Górnego Śląska (7 próbek), jak i w pozostałej części kraju (8 próbek). Łącznie jedna czwarta osadów zawierała zbyt dużo cynku w odniesieniu do dopuszczalnych zawartości dla rolniczego zastosowania (tab. 2).

5 Metale śladowe w komunalnych osadach ściekowych wytwarzanych w olsce 5 Biorąc po uwagę zawartości wszystkich omówionych metali, 35 spośród 60 badanych osadów spełniało normy zawartości metali śladowych dla stosowania w rolnictwie, co stanowi 58% wszystkich osadów. Udział osadów spełniających wspomniane kryteria był bardzo zbliżony dla obu grup osadów: Górny Śląsk - 59% (19 z 32), pozostały obszar - 57% (16 z 28). odsumowując, ocena rozkładu zawartości poszczególnych metali w osadach wskazuje na wzbogacenie osadów śląskich w kadm i ołów w porównaniu z pozostałym obszarem kraju, w przypadku pozostałych metali brak jest istotnych różnic. Wyższy poziom zawartości kadmu i ołowiu w osadach śląskich nie powoduje jednak różnic w udziale osadów spełniających kryteria przydatności rolniczej, gdyż w osadach zebranych poza Górnym Śląskiem spotykane są przekroczenia dopuszczalnych zawartości takich metali, jak cynk, chrom i nikiel. Cd Ni Cu b Cr Zn mg kg -1 Rys. 1. Rozkład zawartości metali śladowych w osadach ściekowych produkowanych na Górnym Śląsku () i pozostałym obszarze kraju (). Na wykresie przedstawiono średnią (linia przerywana), medianę (linia ciągła), 25 i 75 percentyl (ramka), 10 i 90 percentyl (linie pionowe na zewnętrz prostokątów) oraz wszystkie wartości poniżej 10 i powyżej 90 percentyla (kropka)

6 6 Grzegorz iebielec i Tomasz tuczyński Wnioski 1. Badania obejmujące 60 osadów ściekowych z komunalnych oczyszczalni ścieków potwierdzają duże zróżnicowanie podstawowych właściwości chemicznych, takich jak zawartość materii organicznej, azotu, fosforu, wapnia lub magnezu. 2. Wyniki badań wskazują na wzbogacenie osadów śląskich w kadm i ołów w porównaniu z pozostałym obszarem kraju. W przypadku pozostałych metali brak jest istotnych różnic. 3. Trzydzieści pięć spośród 60 osadów (58% wszystkich osadów) spełniało normy zawartości metali śladowych dla stosowania w rolnictwie. pośród analizowanych metali najwięcej przekroczeń dopuszczalnej zawartości odnotowano w przypadku cynku i kadmu. Literatura [1] Krajowy lan Gospodarki Odpadami, Ministerstwo Środowiska, Warszawa [2] tuczyński T., Dobers., Czyż E., Gawrysiak L., idvalna H., Kukla H., Korzeniowska-ucułek R., Kozyra J., Jadczyszyn J., Łopatka A., Nowocień E., udełko R. i iebielec G.: Wdrożenie zintegrowanego systemu informacji o rolniczej przestrzeni produkcyjnej dla potrzeb ochrony gruntów w województwie podlaskim. Urząd Marszałkowski Woj. odl., IUNG-IB, uławy [3] Ostrowska A., Gawliński. i zczubiałka Z.: Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa [4] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 sierpnia 2002 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych (DzU Nr 134, poz. 1140), Ministerstwo Środowiska, Warszawa TRACE METAL IN MUNICIAL BIOOLID RODUCED IN OLAND Abstract: The recent increase of a number of wastewater treatment plants along with improvement of cleaning technology has led to an increase of amount of municipal biosolids produced in oland. The amount of biosolids used in oland in agriculture or for reclamation purposes is significantly lower than in U or in most EU countries. A limitation for a wider use of biosolids are controversies related to presence of contaminants in biosolids, including trace metals. The work was designed to recognize a level of metals in biosolids presently generated in oland. Metal contents were assessed in relation to present thresholds and potential risk related to biosolids introduction to soil environment. The work covered a group of 60 biosolids representing different technologies of water cleaning, municipality size and geographic location. Among trace metals cadmium, chromium and nickel contents were the most diversified. Thirty five from 60 analyzed biosolids met all metal content thresholds (58 percent of all biosolids) for agricultural use of biosolids. The highest number of threshold exceedance was observed for zinc and cadmium. Biosolids representing industrial region of Upper ilesia had elevated contents of lead and cadmium comparing with a reference group od biosolids. There were no significant differences in terms of content of other metals between these two groups of biosolids. Keywords: biosolids, cation exchange capacity, organic matter, trace metals