Phytotoxicity and speciation of copper and nickel in composted sewage sludge

• Autorzy: Jakubus M.

Warianty tytułu

PL

Fitotoksyczność i specjacja miedzi i niklu w kompostowanym osadzie ściekowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In recent years, sewage sludge production in Poland has increased sharply. Composting is one of the most preferable methods for sewage sludge utilization. Compost can improve the physical and chemical properties of soil. However, the quality of sewage sludge composts should be assessed before soil application by using biological and chemical methods. A germination test is used as a biological index to determine the possible phytotoxic effect of composts. Chemical methods are helpful in assessment of availability of metals to plants. This study has been conducted to validate the effect of composting process on phytotoxicty, speciation and availability of copper and nickel in sewage sludge composted with sawdust and wheat straw. The composting process of organic wastes was carried out in chambers of a bioreactor for 28 days; afterwards each chamber was emptied and the content was stored in a closed room for 3 months to allow the maturation process to complete. samples for analysis were collected at three characteristic phases of the composting process: mesophilic, thermophilic and mature compost. Determinations of the changes in metal speciation as well as metal bioavailability were achieved, respectively, with the technique of BCR sequential analysis and single extraction method using DTPA. Phytotoxicity of the analyzed composts was evaluated with the germination index using cress seeds. it was found that an increasing proportion of sewage sludge in composted mixtures increased copper and nickel content in compost fractions as well as bioavailable quantities of these metals. The germination index increased only during the composting process of a mixture containing 30% of sewage sludge. The compost with 75% share of sewage sludge strongly inhibited germination of cress seeds. The process of compost maturation resulted in an increase of copper in fractions i and iii. However, the smallest amounts of copper were determined in exchangeable bonds and the highest ones were determined in bonds with organic matter and sulphides. Composting sewage sludge with sawdust and wheat straw reduced the availability of nickel, which resulted in a decline in the content of this metal in exchangeable bonds (fraction I) but an increase in poorly- and non-extractable ones (fractions III and IV).

PL

W ostatnich latach w Polsce notuje się znaczne zwiększenie masy osadów ściekowych. Kompostowanie jest uważane za jedną z najbardziej korzystnych metod wykorzystania osadów ściekowych. Kompost może przyczynić się do poprawy właściwości fizycznych i chemicznych gleby. Jednak jakość kompostów powstałych z osadów ściekowych przed ich doglebowym zastosowaniem powinna być oceniana za pomocą biologicznych i chemicznych metod. Indeks biologiczny oparty na teście kiełkowania roślin pozwala określić ewentualny fitotoksyczny efekt kompostów. Natomiast metody chemiczne pomocne są w ocenie stopnia przyswajalności metali dla roślin. W badaniach określono fitotoksyczność, specjację i bioprzyswajalnośc miedzi i cynku w osadzie ściekowym kompostowanym z trocinami i słomą. Proces kompostowania odpadów organicznych przebiegał w komorach bioreaktora przez 28 dni, po czym kompostowaną biomasę zdeponowano w zamkniętym pomieszczeniu na okres 3 miesięcy celem zakończenia procesu dojrzewania. Próbki do analiz pobierano w trzech charakterystycznych fazach kompostowania: mezofilnej, termofilnej oraz kompoście dojrzałym. zmiany specjacji oraz bioprzyswajalności metali oceniono wykorzystując odpowiednio analizę sekwencyjną BCR oraz ekstrakcję pojedynczą z roztworem DTPA. Fitotoksyczność analizowanych kompostów określono z wykorzystaniem testu kiełkowania nasion rzeżuchy. stwierdzono, że efektem większego udziału osadu ściekowego w kompostowanej mieszance były większe bioprzyswajalne ilości miedzi i niklu oraz ich zawartości we frakcjach kompostów. Większą wartość indeksu kiełkowania stwierdzono tylko podczas kompostowania mieszanki, gdzie udział osadu ściekowego wynosił 30%. Kompost, w którym osad ściekowy stanowił 75%, silnie hamował kiełkowanie nasion rzeżuchy. Rezultatem procesu dojrzewania kompostów była większa zawartość miedzi we frakcji I i III. Niezależnie od tego, najmniejszą zawartość tego metalu oznaczono w połączeniach wymiennych, a największą w połączeniach z materią organiczną i siarczkami. Proces kompostowania osadu ściekowego ze słomą i trocinami zredukował przyswajalnośc niklu, czego wyrazem było zmniejszenie jego zawartości we frakcji i, a zwiększenie w połączeniach trudno- i nieekstrahowanych (fr. III i IV).

• Wydawca: -
• Czasopismo: Journal of Elementology
• Rocznik: 2012
• Tom: 17
• Numer: 1
• Opis fizyczny: p.43-56,fig.,ref.

Twórcy

autor

Jakubus M.

• Chair of Soil Science and Ground Protection, Poznan University of Life Sciences, Szydlowska 50, 60-656 Poznan, Poland

Bibliografia

• Barker A.V., Bryson G. M. 2002. Bioremediation of heavy metals and organic toxicants by composting. Sci. World J. 2: 407-420.
• Bustamante M.A., Paredes C., Marhuenda-Egea F.C., Perez-Espinosa A., Bernal M.P., Moral R. 2008. Co-composting of distillery wastes with animal manures: carbon and nitrogen transformations in the evaluation of compost stability. Chemosphere, 72: 551-557.
• Central Statistical Office 2010. http://.stat.gov.pl/
• Debosz K., Petersen S.O., Kure L.K., Ambus P. 2002. Evaluating effects of sewage sludge and household compost on soil physical. chemical and microbiological properties. Appl. Soil Ecol., 19: 237-248.
• Fang M., Wong J.W.C. 1999. Effects of lime amendment on availability of heavy metals and maturation in sewage sludge composting. Environ. Pollut., 106: 83-89.
• Farrell M., Jones D.L. 2009. Heavy metal contamination of mixed waste compost: Metal speciation and fate. Biores. Technol., 100: 4423-4432.
• Gao M., Liang F., Yu A., Li B., Yang L. 2010. Evaluation of stability and maturity during forced-aeration composting of chicken manure and sawdust at different C/N ratio. Chemosphere, 78: 614-619.
• Gondek K. 2006. Zawartość różnych form metali ciężkich w osadach ściekowych i kompostach [Content of different forms of heavy metals in sewage sludge and composts]. Acta Agroph. 8 (4): 825-838. (in Polish)
• Hargreaves J.C., Adl M.S., Warman P.R. 2008. A review of the use of composted municipal solid waste in agriculture. Agric. Ecosyst. Environ., 123: 1-14.
• Huang G.F., Wong J.W.C., Nagar B.B., Wu Q.T., Li F.B. 2005. Bioavailability of heavy metals during humification of organic matter in pig manure compost. www.eco-web.com/editorial/050915.html.
• Jakubus M. 2005. Sewage sludge characteristic with regard to their agricultural and reclamation usefulness. Fol. Univ. Agric. Stetin., Agric., 244(99): 73-82.
• Jakubus M 2010. Zmiany specjacji i bioprzyswajalności mikroelementów podczas kompostowania osadów ściekowych z różnymi bioodpadami [Changes in speciation and bioavailability of microelements during the composting of sewage sludge with various types of bio-waste]. Wyd. Uniw. Przyr. w Poznaniu. Rozpr. Nauk. 405: 156. (in Polish)
• Jakubus M., Czekała J. 2010. Chromium and nickel speciation during composting process of different biosolids. Fres. Environ. Bull., 19(2a): 289-299.
• Jordao C.P., Nascentes C.C., Cecon P.R., Fontes R.L.F. and Pereira J.L. 2006. Heavy metal availability in soil amended with composted urban solid wastes. Environ. Monit. Assess., 112: 309-326.
• Journal of Law 2001, No. 62, pos. 628.
• Journal of Law.2010, No. 28, pos.145.
• Kabata-Pendias A., Pendias, H. 1999. Biogeochemia pierwiastków śladowych [Biogeochemistry of trace elements]. PWN, Warszawa, pp. 398. (in Polish)
• Ko H., Kim K., Kim H., Kim Ch., Umeda M. 2008. Evaluation of compost parameters and heavy metals contents in composts made from animals mature. Waste Manag., 28: 813-820.
• Lru Y., Ma L., Li Y., Zheng L. 2007. Evolution of heavy metal speciation during the aerobic composting process of sewage sludge. Chemosphere, 67: 1025-1032.
• Miaomiao H., Wenhong L., Xinqiang L., Donglei W., Guangming T. 2009. Effect of composting process on phytotoxicity and speciation of copper, zinc and lead in sewage sludge and swine manure. Waste Manag., 29: 590-597.
• Mossop K.F., Davidson Ch.M. 2003. Comparison of original and modified BCR sequential extraction procedures for the fractionation of copper, iron, lead, manganese and zinc in soils and sediments. Anal. Chem. Acta, 478(1): 111-118.
• Nair A., Juwarkar A.A., Devotta S. 2008. Study of speciation of metals in an industrial sludge and evaluation of metal chelators for their removal. J. Hazard. Mat., 152: 545-553.
• Nomeda S., Valdas P., Chen S.-Y., Lin J.-G. 2008. Variations of metal distribution in sewage sludge composting. Waste Manag., 28: 1637-1644.
• Olszewski T., Dach J., Jędruś A. 2005. Modelowanie procesu kompostowania nawozów naturalnych w aspekcie generowania ciepła [Modelling the process of composting natural fertilizers in the context of heat generation]. J. Res. Appl. Agric. Engin., 50(2): 40-43. (in Polish)
• Qiao L., Ho G. 1997. The effects of clay amendment and composting on metal speciation in digested sludge. Wat. Res., 31(5): 951-964.
• Quevauviller P., Lachica M., Barahona E., Gomez A., Rauret G., Ure A., Muntau H. 1998. Certified reference material for the quality control of EDTA- and DTPA- extractable trace metals contents in calcareous soil (CMR 600). Fres J. Anal. Chem., 360(5): 505-511.
• Sądej W., Namiotko A. 2007. Zmiany właściwości fizykochemicznych gleby użyźnianej kompostami z odpadów komunalnych o różnym stopniu dojrzałości [Changes in physicochemical properties of soil amended with municipal waste composts of different maturity]. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 520: 371-378. (in Polish)
• Walter I., Martinez F., Cala V. 2006. Heavy metal speciation and phototoxic effects of three representative sewage sludges for agricultural uses. Environ. Pollut., 139: 507-514.
• Wong J.W., Selvam A. 2006. Speciation of heavy metals during co-composting of sewage sludge with lime. Chemosphere, 63: 980-986.
• Zheng G-D., Gao D., Chen T-B., Luo W. 2007. Stabilization of nickel and chromium in sewage sludge during aerobic composting. J. Hazard. Mat., 142: 216-221.
• Zucconi F., Pera A., Forte M., de Bertoldi M. 1981. Evaluating toxicity of immature compost. Biocycle, 22: 54-57.

Uwagi

PL

Rekord w opracowaniu