Experimental investigation of phytoreclamation of sites affected by sewage sludge

Abstract

The present PhD thesis focuses on an experimental investigation into applying phytoremediation for the reclamation of sites affected by sewage sludge. Two study sites, one within the area of the Thessaloniki Wastewater Treatment Plant, Greece, which receives sludge for temporary deposition, and the other within the area of the “Bezludivka” Wastewater Treatment Plant in Kharkiv, Ukraine, which is an area with dewatering sludge lagoons, were selected for the experimental investigation. Both sites are characterised by a similar sludge problem in that both have an accumulation of sludge, which is not further utilised. In the city of Kharkiv the problem is particularly acute, as sludge has been accumulating over the 80 years of operation of the BWWTP over a territory of 120 ha. Public and local authorities’ opposition to the use of sludge in agriculture, which would be the best option for both countries, could be due to its contamination by heavy metals, organic pollutants, pathogens, poor structure and texture, as well as its strong and unpleasant odour. Economic considerations and traditions may also be of relevance. The research was based on treatability studies, which tested the suitability of several plant species for sludge phytoreclamation under laboratory and field conditions. The assessment of the results of these studies was based on the plants’ biometric characteristics, their rates of survival, their elements’ uptake, their bioconcentration factor, and the rate of reduction of macronutrients and trace elements in the sludge by the end of the experiments. The results and conclusions of the thesis, in general, can be described as follows:•Phytoremediation can be applied practically in full-scale projects at both study sites as an alternative reclamation method.•There is no need to add any amendments to the sludge in lagoons at the BWWTP. However, fresh sludge produced in decanters at the BWWTP and sludge produced on filter presses at the ThWWTP need to be amended prior to any phytoremediation system being installed.•Taking into account both the high levels of concentration of the majority of metals in the tissue of Brassica napus and Medicago sativa, and the rate of reduction of the corresponding metals in the sludge by the end of experiments, it is concluded that these plants are capable of phytoextraction in the area with sludge lagoons at the BWWTP, Ukraine. Taking into account the same parameters for plants used in the experiments in Greece, Populus alba and Quercus pubescens among woody species, and Helianthus annuus and Zea mays among herbaceous species are suggested being the best suited for the reclamation of the Greek sludge. •The study of native plants grown on the experimental plots during the field experiment in Greece showed that some of them are just as good as other phytoremediative plants, which opens a new and interesting direction for further research. The results of the most of experiments have been published or submitted to peer-reviewed journals.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η δυνατότητα αποκατάστασης των περιοχών προσβεβλημένων από ιλύ αστικών υγρών αποβλήτων με τη μέθοδο της φυτοεξυγίανσης. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο όρος της αποκατάστασης αναφέρεται στην αναβάθμιση με χρήση κατάλληλων φυτών της ποιότητας της ιλύος, η οποία διατίθεται στην επιφάνεια του εδάφους. Το αποτέλεσμα της διαδικασίας αυτής είναι η μετατροπή της ιλύος σε ένα πιο παραγωγικό και ασφαλές υλικό που δεν θεωρείται πλέον επικίνδυνο για την υγεία του ανθρώπου και το περιβάλλον. Για την έρευνα στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής επιλέχθηκαν δυο περιοχές. Η μια ανήκει στην έκταση των Εγκαταστάσεων Επεξεργασίας Λυμάτων Θεσσαλονίκης (ΕΕΛΘ), Ελλάδα, στην οποία για χρόνια έχει συσσωρευτεί η ιλύς, και η άλλη βρίσκεται στο χώρο των Εγκαταστάσεων Επεξεργασίας Λυμάτων «Μπεζλούδιβκα» (ΕΕΛΜπ) του Χαρκόβου, Ουκρανία, η οποία περιλαμβάνει τις χωμάτινες δεξαμενές αφυδάτωσης. Και οι δυο περιοχές αντιμετωπίζουν παρόμοιο περιβαλλοντικό πρόβλημα σε σχέση με την ιλύ επειδή και οι δυο περιοχές αποτελούν το χώρο της διάθεσης της ιλύος, καθότι η ιλύς που επεξεργάζεται δεν απομακρύνεται. Στο Χάρκοβο το πρόβλημα αυτό είναι ιδιαίτερα οξύ, καθώς η ιλύς έχει συσσωρευτεί κατά τη διάρκεια των 80 ετών λειτουργίας των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων σε επιφάνεια πάνω από 120 ha. Η πιθανή περιεκτικότητα της ιλύος σε επικίνδυνους ρυπογόνους η/και μολυσματικούς παράγοντες, κυρίως βαρέα μέταλλα, επιβλαβείς οργανικές ενώσεις και παθογόνους οργανισμούς που έχει επιπλέον σαν συνέπια και τη δυσοσμία, καθώς πτωχή σε δομή και υφή ιλύς, συνιστά το σοβαρότερο επιχείρημα που εμποδίζει τη γεωργική χρησιμοποίηση της. Αυτό θα ήταν και ο καλύτερος τρόπος αξιοποίησης της και στις δυο χώρες. Η έρευνα ξεκίνησε το 2007 και αποτελείται από πέντε σειρές πειραμάτων, τα οποία διεξήχθησαν σε εργαστήρια, θερμοκήπια και επί τόπου στην Ουκρανία και στην Ελλάδα. Στα πειράματα εξετάστηκαν έντεκα είδη φυτών, δηλαδή η Brassica napus, Medicago sativa, Helianthus annuus, Hordeum vulgare, Phaseolus vulgaris, Pinus pinea, Populus alba, Quercus pubescens, Robinia pseudoacacia, Triticum aestivum, και η Zea mays. Τα φυτά αυτά επιλέχθηκαν λαμβάνοντας υπόψη την προσαρμογή τους σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλοντικών συνθηκών, την ικανότητά τους να προσλαμβάνουν ικανές ποσότητες βαρέων μετάλλων και άλλων ρύπων, την ικανότητά τους να αναπτύσσονται στις κλιματικές συνθήκες των περιοχών της έρευνας, καθώς και τη διαθεσιμότητά τους για τα πειράματα. Τα αποτελέσματα αξιολογήθηκαν βάσει των βιομετρικών χαρακτηριστικών των φυτών, του ποσοστού επιβίωσης τους, του βαθμού πρόσληψης των μακροθρεπτικών στοιχείων και ιχνοστοιχείων στους φυτικούς ιστούς, του συντελεστή βιοσυσσώρευσης, του συντελεστή μεταφοράς και του βαθμού μείωσης των χημικών στοιχείων στην ιλύ μετά από τα πειράματα. Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων, εξήχθησαν χρήσιμα συμπεράσματα, τα οποία αναφέρονται συνοπτικά ως ακολούθως:•Διαπιστώθηκε ότι η αποκατάσταση των περιοχών της έρευνας μπορεί να επιτευχθεί με τη μέθοδο της φυτοεξυγίανσης σε αρκετά ικανοποιητικό βαθμό.•Στην περιοχή των ΕΕΛΜπ, Ουκρανία, είναι δυνατή η εγκατάσταση των φυτών με απευθείας φύτευση στην παλιά ιλύ των χωμάτινων δεξαμενών αφυδάτωσης, ενώ στην περιοχή των ΕΕΛΘ, Ελλάδα, αυτή μπορεί να γίνει μόνο μετά από την προσθήκη εδαφοβελτιωτικών (amendments) υλικών σε φρέσκια ιλύ για νa βελτιωθούν οι συνθήκες αερισμού.•Ως καλύτερο μίγμα εδάφους-ιλύος σε ό, τι αφορά την ανάπτυξη και την επιβίωση των φυτών κρίθηκε αυτό με το μεγαλύτερο ποσοστό του εδάφους στο μίγμα ιλύος, κατά 70%. Αν και το μίγμα με 50% ιλύος έδειξε αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα. •Σε σύγκριση με την αρχική ιλύ, η περιεκτικότητα των βαρέων μετάλλων, P και Na μειώθηκε κατά μέσο όρο 90 %. Η μείωση αυτή οφείλεται κυρίως στην υψηλή πρόσληψη των ρυπαντών από τα φυτά.•Μεταξύ των φυτών που εξετάστηκαν η Brassica napus και η Medicago sativa είναι καταλληλότερα για την φυτοεξυγίανση στις ΕΕΛΜπ, ενώ τα Populus alba, Quercus pubescens, Helianthus annuus και Zea mays μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία στην αποκατάσταση της ιλύος των ΕΕΛΘ.•Ένα από τα βασικά αποτελέσματα της έρευνας ήταν ότι ακόμη και από τον πρώτο χρόνο των επί τόπου πειραμάτων στην Ελλάδα εγκαταστάθηκαν με φυσικές διαδικασίες επί της πειραματικής επιφανείας φυτά της τοπικής χλωρίδας. Το γεγονός ότι κανένα είδος δεν εμφανίστηκε στην επιφάνεια όπου ήταν ιλύς χωρίς εδαφοβελτιωτικά δείχνει ότι δεν είναι δυνατή η εγκατάσταση των φυτών με απευθείας φύτευση σε υλικό αυτό. Η μελέτη αυτοφυών φυτών έδειξε ότι μερικά από αυτά είναι εξίσου καλά όσο και τα φυτά τα οποία χρησιμοποιούνται στην φυτοεξυγίανση. Το μεγαλύτερο δυναμικό έχουν τα φυτά Malva parviflora, Portulaca oleracea, Cynodon dactylon, Chenopodium album και Amaranthus albus.Τα κυριότερα αποτελέσματα της έρευνας αυτής έχουν δημοσιευθεί ή υποβληθεί προς δημοσίευση σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά με κριτές.