Proceedings of ECOpole Vol. 1, No. 1/2 2007 Jolanta SOBIK-SZOŁTYSEK 1 i Beata JABŁOŃSKA 1 SKŁADOWANIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH NA AKTYWNYCH CHEMICZNIE DOLOMITOWYCH ODPADACH POFLOTACYJNYCH SEWAGE SLUDGE DISPOSAL ON CHEMICALLY ACTIVE POST-FLOTATION DOLOMITE WASTES Streszczenie: W pracy podjęto badania nad możliwością deponowania osadów ściekowych charakteryzujących się dużą zawartością metali ciężkich na dolomitowych odpadach poflotacyjnych. Wykonano 5 doświadczeń wazonowych, tworząc syntetyczne podłoża dla roślinności z różnym udziałem osadu ściekowego i odpadu poflotacyjnego, w których oznaczano zawartość Zn i Pb ze względu na największą koncentrację tych metali w stosowanych materiałach. W doświadczeniu użyto nasion trawy z gatunku Argona, charakteryzującej się odpornością na wysokie stężenia metali. W zebranej masie roślinnej oznaczono zawartość wybranych metali. Uzyskane wyniki pozwoliły stwierdzić, że podłoże złożone z 75% odpadu poflotacyjnego i 25% osadu ściekowego wykazuje najmniejszą dostępność metali ciężkich dla traw - mały współczynnik bioakumulacji. Dodatkowo taki sposób zagospodarowania osadu ściekowego ułatwia stabilizację biologiczną powierzchni składowisk odpadów poflotacyjnych z przerobu rud Zn-Pb. Słowa kluczowe: osady ściekowe, odpady poflotacyjne, metale ciężkie, składowanie odpadów Poprawa skuteczności oczyszczania ścieków powoduje równocześnie duży wzrost ilości odpadu w postaci osadu ściekowego z ich oczyszczania. Z uwagi na specyficzne właściwości tego odpadu najbardziej uzasadnioną metodą unieszkodliwiania jest jego przyrodnicze lub rolnicze wykorzystanie [1]. Zawartość substancji organicznych oraz mineralnych składników nawozowych ma decydujący wpływ na glebotwórcze i nawozowe właściwości osadów. Jednak często zawartość metali ciężkich oraz mikroorganizmów chorobotwórczych, przekraczająca dopuszczalne normy [2, 3], ogranicza lub wręcz eliminuje nieprzemysłowe użytkowanie osadów. Mikroorganizmy z osadu można usunąć poprzez odpowiednie uzdatnienie w procesach sanitacji, natomiast redukcja zawartości metali ciężkich wymaga kosztownych technologii i w praktyce nie jest stosowana [4, 5]. Skład osadów, powstających w oczyszczalniach, a tym samym zawartość w nich metali ciężkich, jest bardzo zróżnicowany [6]. Z uwagi na społeczną niechęć do termicznej likwidacji osadów ściekowych, składowanie pozostaje nadal jednym z najważniejszych ogniw w gospodarce tak zanieczyszczonymi odpadami. Osady ściekowe są materiałem bardzo dobrze utrwalającym powierzchnię składowisk odpadów pylących i zagrożonych erozją wodną [7]. Przykładem tego typu odpadów, wykazujących alkaliczność mogącą zmniejszać rozpuszczalności metali ciężkich wprowadzanych na ich powierzchnię wraz z osadem ściekowym, są odpady poflotacyjne z przerobu rud Zn-Pb. Prowadzone przez Sobik-Szołtysek i Girczysa badania [8-10], dotyczące odpadowych dolomitów poflotacyjnych, potwierdziły ich dobre właściwości sorpcyjne wobec jonów metali ciężkich. 1 Instytut Inżynierii Środowiska, Politechnika Częstochowska, ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa, tel. 034 325 09 17 wew. 37, e-mail: jszoltysek@is.pcz.czest.pl
240 Jolanta Sobik-Szołtysek i Beata Jabłońska W przedstawionych badaniach podjęto próbę stworzenia optymalnej mieszanki odpadów poflotacyjnych i osadu ściekowego w celu uzyskania podłoża najskuteczniej blokującego migrację metali ciężkich do roślinności testowej. Metodyka badań Do badań wykorzystano dwa materiały odpadowe: odpadowy dolomit poflotacyjny z przerobu rud Zn-Pb pobrany z nieczynnego osadnika byłej kopalni Orzeł Biały w Bytomiu (tab. 1); osad ściekowy z Oczyszczalni Ścieków Warta S.A. w Częstochowie (tab. 2). Średni skład chemiczny odpadów poflotacyjnych Average chemical composition of post-flotation wastes Składnik Zawartość [% mas.] Zn 2,56 Pb 0,73 Fe 7,33 SiO 2 2,90 Al 2O 3 0,62 2- SO 4 2,39 CaO 27,71 MgO 15,39 CO 2 38,78 Skład chemiczny osadu ściekowego Chemical composition of sewage sludge Składnik Jednostka Zawartość Azot ogólny [% s.m.] 3,10 Azot amonowy [% s.m.] 0,052 Fosfor [% s.m.] 3,6 Wapń [% s.m.] 4,5 Magnez [% s.m.] 0,49 Cynk [mg Zn/kg s.m.] 2,9 10 3 Miedź [mg Cu/kg s.m.] 7,4 10 2 Kadm [mg Cd/kg s.m.] 5,6 Nikiel [mg Ni/kg s.m.] 5,2 10 2 Ołów [mg Pb/kg s.m.] 99 Chrom ogól. [mg Cr/kg s.m.] 5,7 10 2 Rtęć [mg Hg/kg s.m.] 2,1 Tabela 1 Table 1 Tabela 2 Table 2 Głównym składnikiem odpadów poflotacyjnych jest dolomit, stanowiący do 70% składu. Dolomit ten charakteryzuje się dobrą zdolnością do sorpcji metali ciężkich, którą obserwowano w badaniach własnych [8]. W osadzie przekroczone były zawartości niektórych metali ciężkich dyskwalifikujące ten materiał do wykorzystania rolniczego. W celu określenia stopnia pobierania przez rośliny metali ciężkich zawartych w podłożu glebowym przeprowadzono doświadczenia wazonowe dla 5 mieszanek osadu ściekowego i odpadu poflotacyjnego, przyjmując następujący udział % mas. obu odpadów:
Składowanie osadów ściekowych na aktywnych chemicznie dolomitowych odpadach poflotacyjnych 241 podłoże A - 100% mas. odpadu poflotacyjnego; podłoże B - 100% mas. osadu ściekowego; podłoże C - 50% mas. odpadu poflotacyjnego + 50% mas. osadu ściekowego; podłoże D - 75% mas. odpadu poflotacyjnego + 25% mas. osadu ściekowego; podłoże E - 25% mas. odpadu poflotacyjnego + 75% mas. osadu ściekowego. Na podłoża wysiano nasiona trawy z gatunku Argona w ilości 10 g na pojemnik. Gatunek ten wytypowano głównie z uwagi na jego odporność na duże stężenia metali w podłożu. Po wysianiu trawy we wszystkich wazonach zapewniono te same warunki wegetacji. Po upływie 4 tygodni zebrano masę roślinną z wazonów, zważono dla określenia przyrostu biomasy i poddano mineralizacji w mineralizatorze mikrofalowym, a w uzyskanych roztworach oznaczono zawartość Zn i Pb. Miarą ruchliwości i dostępności metali ciężkich dla roślin jest współczynnik bioakumulacji, który zależy od gatunku rośliny i właściwości podłoża - głównie wartości ph i pojemności sorpcyjnej w stosunku do kationów [11]. Dla jego obliczenia określono zawartość Zn i Pb w badanych podłożach oraz zmierzono ich wartości ph. Wyniki badań i ich omówienie Rysunek 1 przedstawia przyrost biomasy w zależności od rodzaju zastosowanego podłoża. 8 7 6,61 6,42 7,32 Przyrost biomasy w [g] 6 5 4 3 2 1 0,65 1,93 0 podłoże A podłoże B podłoże C podłoże D podłoże E Rys. 1. Przyrost biomasy w zależności od rodzaju podłoża Fig. 1. Increase of biomass depending on kind of substratum Największy przyrost biomasy nastąpił na podłożu E. Nieco mniejsze, lecz porównywalne ze sobą przyrosty biomasy stwierdzono na podłożach C i D. Natomiast biomasa pozyskana z podłoża A i B była odpowiednio o ponad 11 i ponad 3 razy mniejsza od maksymalnego uzyskanego przyrostu (podłoże E). Bardzo słaby wzrost traw na podłożu A spowodowany był głównie brakiem składników odżywczych i próchnicy w odpadzie oraz brakiem odprowadzania nadmiaru wody (procesy gnilne i brak kiełkowania). Słabszy wzrost roślin na podłożu B mógł być spowodowany obecnością patogenów oraz dużą zawartością cynku w odpadzie [12]. W tabeli 3 zestawiono wyniki oznaczeń zawartości Zn i Pb w stosowanych podłożach i zebranej biomasie oraz zmierzone wartości ph podłoży oraz obliczone współczynniki bioakumulacji.
242 Jolanta Sobik-Szołtysek i Beata Jabłońska Podłoże ph podłoża Zawartość Zn i Pb w podłożach i biomasie Zn and Pb contents in substrata and biomass Zn Zawartość metalu [mg/kg s.m.] Podłoże Biomasa Współczynnik bioakumulacji Podłoże Biomasa A 7,32 25600 4300,8 0,168 6100 414,8 0,068 B 7,11 2850 250,8 0,088 128 19,46 0,152 C 7,23 14225 753,93 0,053 3114 189,95 0,061 D 7,26 19913 856,26 0,043 4607 202,71 0,044 E 7,21 8537,5 435,41 0,051 3146 229,66 0,073 Pb Tabela 3 Table 3 Współczynnik bioakumulacji Rysunek 2 ilustruje zależność wartości współczynnika bioakumulacji dla cynku i ołowiu od rodzaju zastosowanego podłoża. Współczynnik bioakumulacji 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 podłoże A podłoże B podłoże C podłoże D podłoże E cynk ołów Rys. 2. Zależność współczynnika bioakumulacji Zn i Pb od rodzaju podłoża Fig. 2. Dependence of bioaccumulation factor Zn and Pb on kind of substratum Uzyskane rezultaty badań pozwalają stwierdzić, że zastosowanie jako podłoża glebowego mieszanek obu odpadów wpływa na ograniczenie mobilności cynku i ołowiu i ich dostępności dla roślin. Potwierdzają to obliczone współczynniki bioakumulacji. Zastosowanie mieszanki w proporcji 25% mas. osadu ściekowego i 75% mas. odpadu poflotacyjnego (podłoże D) spowodowało blisko 4-krotne zmniejszenie współczynnika bioakumulacji dla cynku w stosunku do podłoża A. Te same zależności zaobserwowano dla ołowiu, porównując współczynniki bioakumulacji dla podłoży B i D. Ważną rolę w blokowaniu migracji związków Zn i Pb w środowisku glebowym odgrywa odczyn ph, dla którego optymalną wartość stanowi przedział 6,9 7,2 [13]. Zastosowanie w podłożu odpadów dolomitowych powoduje stabilizację wartości ph na optymalnym poziomie, ograniczając tym samym mobilność Zn i Pb w powstałym środowisku glebowym. Podsumowanie Duża zawartość metali ciężkich w osadach ściekowych dyskwalifikuje je do wykorzystania rolniczego. Przeprowadzone badania wykazały, że stworzenie mieszanek
Składowanie osadów ściekowych na aktywnych chemicznie dolomitowych odpadach poflotacyjnych 243 osadu ściekowego z poflotacyjnym odpadem dolomitowym pozwala nie tylko rozwiązać problem zagospodarowania takich osadów, ale również umożliwia stabilizację powierzchni składowisk odpadów pylących, jakimi są odpady poflotacyjne. Osad ściekowy dostarcza substancji odżywczych oraz poprawia warunki wegetacyjne i przyrost biomasy, a odpad poflotacyjny, dzięki dobrym właściwościom sorpcyjnym i buforującym, blokuje w podłożu metale ciężkie zawarte w osadzie. Ponadto mineralny charakter odpadu dolomitowego ma duże znaczenie dla przebiegu procesów glebotwórczych i tworzenia się trwałych połączeń z substancją organiczną osadu ściekowego. W doświadczeniach wazonowych wykazano, że optymalnym podłożem jest mieszanina złożona z 75% mas. odpadu poflotacyjnego i 25% mas. osadu ściekowego. Takie podłoże charakteryzuje się najmniejszą dostępnością metali ciężkich dla roślinności testowej, a także przyrostem biomasy wystarczającym dla prawidłowej stabilizacji powierzchni składowisk odpadów poflotacyjnych. Metoda zagospodarowania osadów ściekowych poprzez ich składowanie na aktywnych chemicznie dolomitowych odpadach poflotacyjnych umożliwia skojarzone likwidowanie uciążliwości i zagrożeń, wynikających ze specyfiki obu rodzajów odpadów. Podziękowanie Praca została sfinansowana ze środków badań statutowych nr BS-401/302/05 prowadzonych na Politechnice Częstochowskiej w Instytucie Inżynierii Środowiska. Literatura [1] Zielewicz-Madej E. i Fukas-Płonka Ł.: Możliwości przyrodniczej utylizacji osadów ściekowych. Mat. Konf. Nauk.-Techn. Osady ściekowe - odpad czy surowiec? Częstochowa 1997, 139-150. [2] Ustawa o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 r., jednolity tekst z dnia 5 marca 2007 r. DzU Nr 39, poz. 251. [3] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 sierpnia 2002 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych. DzU Nr 134, poz. 1140. [4] Wierzbicki T.L.: Wykorzystanie komunalnych osadów ściekowych do celów rolniczych. Mat. Konf. Nauk.-Techn. Nowe spojrzenie na osady ściekowe. Odnawialne źródła energii. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2003, 163-170. [5] Siuta J.: Sposoby przyrodniczego użytkowania osadów ściekowych. Mat. X Konf. Nauk.-Techn. Osady ściekowe - przepisy, rozporządzenia. Częstochowa-Ustroń 1999, 177-199. [6] Obarska-Pempkowiak H., Butajło W. i Staniszewski A.: Możliwość przyrodniczego wykorzystania osadów ściekowych ze względu na zawartość metali ciężkich. Mat. Konf. Nauk.-Techn. Nowe spojrzenie na osady ściekowe. Odnawialne źródła energii. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2003, 143-153. [7] Krzaklewski W. i Pietrzykowski M.: Problemy oraz możliwości biologicznej stabilizacji osadników odpadów po flotacji rud cynku i ołowiu. Miesięcznik WUG, 2001, 3, 10-17. [8] Sobik-Szołtysek J.: Metoda składowania odpadów na aktywny podłożu szlamów flotacji blendy cynkowej. Praca doktorska. Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2001. [9] Girczys J. i Sobik-Szołtysek J.: Odpady przemysłu cynkowo-ołowiowego. Monografie 87. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002. [10] Girczys J. i Sobik-Szołtysek J.: Uwalnianie i eliminacja metali ciężkich w osadnikach odpadów flotacji blendy. Fizykochem. Probl. Mineral., 1999, 33, 33-44. [11] Kabata-Pendias A. i Pendias H.: Biogeochemia pierwiastków śladowych. WN PWN, Warszawa 1993. [12] Fotyma M. i Mercik S.: Chemia rolna. WN PWN, Warszawa 1995. [13] Kabata-Pendias A. i Pendias H.: Pierwiastki śladowe w środowisku biologicznym. Wyd. Geol., Warszawa 1979.
244 Jolanta Sobik-Szołtysek i Beata Jabłońska SEWAGE SLUDGE DISPOSAL ON CHEMICALLY ACTIVE POST-FLOTATION DOLOMITE WASTES Summary: In the work the investigations on deposition of sewage sludge with increased concentration of heavy metals on post-flotation dolomite wastes. Five pot experiments have been performed, in which synthetic substrata for plants with diversified percentage of sewage sludge and post-flotation waste had been created. In every case the concentration of Zn and Pb has been determined (as those metals have highest concentrations in the investigated substances). Seeds of grass Argona were used in the experiment, since it is resistant against high concentrations of heavy metals. In the collected biomass the concentrations of selected metals have been determined. The results obtained established that the substratum consisting of 75% of post-flotation waste and 25% of sewage sludge gave the desired effect - the lowest bioaccumulation factor. Additionally, such a way of sewage sludge managing makes it easier to solve the problem of biological stabilization of disposal sites for Zn-Pb treatment post-flotation wastes. Keywords: sewage sludge, post-flotation wastes, heavy metals, wastes deposition.