Διερεύνηση νέων μεθόδων σταθεροποίησης αφυδατωμένης ιλύος αστικών λυμάτων και αξιολόγηση της αγρονομικής της χρήσης

Abstract

The aims of this study were: i) the evaluation of certain clay minerals as potential materials for sewage sludge stabilization, ii) the establishment of the optimal rate of mixing clay mineral with sewage sludge, to retain as much as possible of its initial N and iii) the evaluation of the effect of the treated sewage sludge on soil properties and growth of ryegrass (Lolium perenne L.), used as index plant.Nine clay minerals from various areas of Greece, i.e. low- and high-grade bentonite, and low- and high-grade bentonite saturated with sodium (Na), saponite, attapulgite, mixed clay of saponite-attapulgite, thermally modified attapulgite and zeolite (i.e., clinoptilolite), and additionally calcium hydroxide [Ca(OH)2] were added to dewatered sewage sludge at rates 0-30% (wet weight basis) (sludge’s treatments). After 35 and 70 days of equilibration/air-drying, all mixtures were analyzed for the microbial load reduction, pH, organic matter content and available concentrations of NO3-N and NH4-N. The sludge treatments which showed the highest microbial load reduction, along with the limed and untreated, just air-dried sludge were further assayed for their properties.Three minerals (low-grade bentonite, mixture of saponite-attapulgite and zeolite) and Ca(OH)2 were chosen to be added to dewatered sewage sludge at rates of 0 and 30% (wet weight basis), as well as 10% Ca(OH)2 (soil amendments). After equilibration/air-drying, the soil amendments were analyzed for their microbial load and certain properties. All the soil amendments were added to an alkaline and an acid soil, at rates of 1 and 3% and used in a pot experiment with ryegrass. Moreover, there were two additional treatments; inorganic fertilization consisting of N-P-K application at 300-180-225 mg kg-1 and the control without any organic or inorganic fertilization.Of all the minerals-sludge treatments, the fecal indicators of sludge treated with 30% of the two bentonites, attapulgite, saponite-attapulgite and zeolite decreased considerably compared to the control. These treatments performed also well regarding the sludge retention capacity of available inorganic N, with the attapulgite and zeolite treatments containing the highest amounts of NO3-N and NH4-N, respectively. For the water soluble inorganic N, similar results were obtained for the zeolite treatment, whereas the treatments with the two bentonites had the highest NO3-N content. Also, considerable amounts of water soluble P were obtained in all cases of the treated sludge with minerals. Limed sludge had the lowest content of the water soluble inorganic N and P. Regarding the micronutrients, only Zn and B were detectable in the water soluble fraction of the five minerals-sludge treatments. The heavy metals, which regulate the sludge's agronomic use according to the law, were far below the respective permissible limits and lower than the untreated sludge, except for Ni and Cr of the attapulgite and saponite-attapulgite treatments of sludge.Soil amendments affected differentially soil pH and increased significantly the ECse of both soils, which remained below the salinity threshold of 4 dS m-1. Also, they increased soil available NO3-N, P and K at the ranges of 23-107 and 10-29, 29-79 and 33-87, and 132-675 and 70-570 mg kg-1, for the alkaline and acid soil, respectively, compared to the control. Total Cd and Hg were not detectable, whereas Cu, Zn, Ni, and Pb were less than half of the permissible levels established by law. Basal respiration and microbial biomass C increased to the application of all amendments, especially at the highest rate. Both rates of the amendments increased the aboveground biomass of ryegrass in both soils, which was 37-67% and 54-79% higher than control for the rates of 1 and 3%, respectively.Considering the residual effect of the soil amendments, all the soil treatments increased soil pH and ECse, but not at harmful levels (in particular ECse remained below 2 dS m-1 in all cases). Regarding the available nutrient concentrations, attention should be paid to the increased concentrations of Olsen-P with the limed and the untreated, just air-dried sludge. It is worth mentioning the beneficial effect of zeolite treated sludge on residual K concentration in both soils. In the case of the heavy metals, their mobility increased at all treatments with the addition rate of 3%, with the highest concentrations being measured for the limed and the untreated sludge.In conclusion, certain clay minerals, i.e. bentonite, mixed clay of saponite and attapulgite and zeolite, seem promising materials for the stabilization of sewage sludge in the perspective of using it as a fertilizer. In addition, the produced soil amendments have considerable fertilizing value, as this was proven from their beneficial effect on fertility of the two soils and on ryegrass's biomass. So, they could be used in agriculture. The 1% application rate is considered to be safe for the environment, acting beneficially at the same time on soil fertility and biomass yield. However, potential environmental implications should always be considered.

Οι στόχοι της διατριβής ήταν: α) η αξιολόγηση ορισμένων ορυκτών της αργίλου ως πιθανών υλικών σταθεροποίησης της ιλύος αστικών λυμάτων, β) η διατήρηση όσο το δυνατόν μεγαλύτερων ποσοτήτων αζώτου (Ν) της ιλύος, με την κατάλληλη αναλογία ανάμιξης ορυκτού:ιλύος και γ) η εκτίμηση της επίδρασης της παραγόμενης σταθεροποιημένης ιλύος στις ιδιότητες του εδάφους και στην ανάπτυξη του λόλιου (Lolium perenne L.) ως φυτού δείκτη.Εννιά ορυκτά της αργίλου από περιοχές της Ελλάδας, μπεντονίτης χαμηλής και υψηλής ποιότητας, κορεσμένος με νάτριο (Na) μπεντονίτης χαμηλής και υψηλής ποιότητας σαπωνίτης, ατταπουλγίτης, μικτή άργιλος σαπωνίτη-ατταπουλγίτη, θερμικά τροποποιημένος ατταπουλγίτης και ζεόλιθος (κλινοπτιλόλιθος), και επιπλέον υδροξείδιο του ασβεστίου [Ca(OH)2] προστέθηκαν σε αφυδατωμένη ιλύ αστικών λυμάτων σε αναλογίες 0-30% (σε υγρό βάρος) (μεταχειρίσεις). Μετά από 35 και 70 ημέρες εξισορρόπησης-αεροξήρανσης, όλα τα μίγματα αξιολογήθηκαν ως προς την μείωση του μικροβιακού φορτίου, το pH, την περιεκτικότητα σε οργανική ουσία και την συγκέντρωση NO3-N και ΝΗ4-Ν. Στις μεταχειρίσεις ιλύος με την μεγαλύτερη μείωση μικροβιακού φορτίου έγιναν περαιτέρω αναλύσεις για την εκτίμηση της λιπαντικής ικανότητάς τους.Από τις μεταχειρίσεις της ιλύος του αρχικού πειράματος, επιλέχθηκαν οι τρεις με τα ορυκτά, και συγκεκριμένα με τον μπεντονίτη χαμηλής ποιότητας, την μικτή άργιλο σαπωνίτη-ατταπουλγίτη και τον ζεόλιθο σε αναλογία 30%, όπως επίσης και αυτή με 10% Ca(ΟΗ)2 καθώς και η αφυδατωμένη ιλύς χωρίς προσθήκη εδαφοβελτιωτικών υλικών. Μετά από εξισορρόπηση-αεροξήρανση των εδαφοβελτιωτικών υλικών προσδιορίστηκε το μικροβιακό φορτίο τους καθώς και κάποιες ιδιότητές τους. Όλα τα προαναφερόμενα υλικά προστέθηκαν σε ένα αλκαλικό και ένα όξινο έδαφος, σε αναλογίες 1 και 3% και χρησιμοποιήθηκαν σε πείραμα με δοχεία για την ανάπτυξη λόλιου. Επιπλέον, υπήρχαν άλλες δύο μεταχειρίσεις, συγκεκριμένα, ανόργανη λίπανση με εφαρμογή 300-180-225 mg kg-1 Ν-Ρ-Κ και ο μάρτυρας, χωρίς προσθήκη ανόργανης ή οργανικής λίπανσης.Από όλες τις μεταχειρίσεις της ιλύος με τα ορυκτά, το μικροβιακό φορτίο παρουσίασε την μεγαλύτερη μείωση με την εφαρμογή των δύο μπεντονιτών, του ατταπουλγίτη, της μικτής αργίλου σαπωνίτη-ατταπουλγίτη και του ζεόλιθου στην αναλογία 30%. Αυτές οι μεταχειρίσεις, έδειξαν και αξιόλογη συγκράτηση του διαθεσίμου ανόργανου Ν, με τις μεταχειρίσεις του ατταπουλγίτη και του ζεόλιθου να περιέχουν τις σημαντικά υψηλότερες ποσότητες ΝΟ3-Ν και ΝΗ4-Ν, αντίστοιχα. Όσον αφορά στο υδατοδιαλυτό ανόργανο Ν, παρόμοια αποτελέσματα βρέθηκαν στην μεταχείριση του ζεόλιθου, ενώ οι μεταχειρίσεις με τους μπεντονίτες είχαν τις σημαντικά υψηλότερες συγκεντρώσεις ΝΟ3-Ν. Επίσης, αξιοσημείωτες ποσότητες υδατοδιαλυτού φωσφόρου (Ρ) μετρήθηκαν σε όλες τις περιπτώσεις της επεξεργασμένης ιλύος με τα ορυκτά. Η ασβεστοποιημένη ιλύς είχε την χαμηλότερη συγκέντρωση υδατοδιαλυτού, ανόργανου Ν και Ρ. Όσον αφορά στα μικροθρεπτικά στοιχεία, μόνο ο ψευδάργυρος (Zn) και το βόριο (Β) ήταν ανιχνεύσιμα στο υδατοδιαλυτό κλάσμα και στις πέντε μεταχειρίσεις της ιλύος με τα ορυκτά. Τα βαρέα μέταλλα, τα οποία ρυθμίζουν την γεωργική χρήση της ιλύος σύμφωνα με την νομοθεσία, ήταν πολύ χαμηλότερα από τα όρια που έχουν θεσπιστεί και χαμηλότερα και από την ανεπεξέργαστη ιλύ, εκτός των νικελίου (Ni) και χρωμίου (Cr) στις μεταχειρίσεις με τον ατταπουλγίτη και την μικτή άργιλο σαπωνίτη-ατταπουλγίτη.Τα εδαφοβελτιωτικά υλικά επηρέασαν με διαφορετικό τρόπο το pH των εδαφών και αύξησαν σημαντικά την ECse και των δύο εδαφών, η οποία όμως παρέμεινε κάτω από το κρίσιμο όριο αλάτωσης των 4 dS m-1. Επίσης, αύξησαν τα διαθέσιμα ποσά των NO3-N, P και καλίου (Κ) στα επίπεδα των 23-107 και 10-29, 29-79 και 33-87, και 132-675 και 70-570 mg kg-1, για το αλκαλικό και το όξινο έδαφος, αντίστοιχα, σε σχέση με τον μάρτυρα. Οι ολικές συγκεντρώσεις του καδμίου (Cd) και υδραργύρου (Hg) δεν ήταν ανιχνεύσιμες, ενώ αυτές των χαλκού (Cu), Zn, Ni και μόλυβδου (Pb) ήταν κάτω του μισού των αποδεκτών ορίων που έχουν θεσπιστεί από την νομοθεσία. Η μικροβιακή αναπνοή και η βιομάζα του άνθρακα (Cmic) αυξήθηκαν με την εφαρμογή όλων των εδαφοβελτιωτικών υλικών, ιδιαίτερα στην υψηλότερη δόση. Και οι δύο δόσεις προσθήκης των εδαφοβελτιωτικών υλικών στα εδάφη αύξησαν την απόδοση σε βιομάζα του λόλιου στα δύο εδάφη, η οποία ήταν 37-67% και 54-79% μεγαλύτερη από αυτήν του μάρτυρα για τις αναλογίες 1 και 3%, αντίστοιχα.Όσον αφορά στην υπολειμματική δράση, όλες οι μεταχειρίσεις με τα εδαφοβελτιωτικά υλικά αύξησαν το pH και την ECse, σε σχέση με τον μάρτυρα, όχι όμως σε προβληματικά επίπεδα (ιδιαίτερα η ECse ήταν κάτω από τα 2 dS m-1). Σχετικά με τις διαθέσιμες συγκεντρώσεις των θρεπτικών στοιχείων, προσοχή πρέπει να δοθεί στις αυξημένες τιμές του Olsen-P με την εφαρμογή της μεγαλύτερης δόσης των εδαφοβελτιωτικών υλικών με τα ορυκτά, καθώς και με την εφαρμογή της ασβεστοποιημένης και της αεροξηραμένης ιλύος. Αξίζει να σημειωθεί η θετική επίδραση της μεταχείρισης της ιλύος με τον ζεόλιθο στην υπολειμματική συγκέντρωση του Κ και στα δύο εδάφη. Σχετικά με τα βαρέα μέταλλα, η κινητικότητα τους αυξήθηκε σε όλες τις μεταχειρίσεις, με τις υψηλότερες διαθέσιμες τιμές να παρατηρούνται με την εφαρμογή της ασβεστοποιημένης και της αεροξηραμένης ιλύος.Συνοψίζοντας, ορισμένα ορυκτά της αργίλου, όπως ο μπεντονίτης, η μικτή άργιλος σαπωνίτη-ατταπουλγίτη και ο ζεόλιθος είναι υλικά που μπορούν να σταθεροποιήσουν την αφυδατωμένη ιλύ και να μειώσουν το μικροβιακό φορτίο με σκοπό την αγροκομική χρήση της. Επιπλέον, τα εδαφοβελτιωτικά υλικά που προκύπτουν έχουν ικανοποιητική αξία ως λιπάσματα, γεγονός που αποδείχτηκε από την θετική επίδρασή τους τόσο στην γονιμότητα των δύο εδαφών όσο και στην ανάπτυξη λόλιου. Επομένως, αυτά θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν στην γεωργία. Από τις δύο αναλογίες προσθήκης των εδαφοβελτιωτικών υλικών, η αναλογία 1% φαίνεται να είναι ασφαλής για το περιβάλλον, επιδρώντας ταυτόχρονα θετικά στην γονιμότητα του εδάφους και την απόδοση των φυτών. Όμως, σε κάθε περίπτωση, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη πιθανές ανεπιθύμητες συνέπειες για το περιβάλλον.