Σταθεροποίηση αφυδατωμένης ιλύος αστικών λυμάτων με χρήση εδαφοβελτιωτικών υλικών και η αγρονομική της χρήση

Abstract

The agronomic use of sewage sludge, due to its soil ameliorating and fertilizing capacity, is probably the best practice for its disposal to the environment. However, sludge usually contains considerable load of pathogens and heavy metals, whilst nutrient loss, especially that of N, during its stabilization process can be high. The objectives of the PhD thesis were to evaluate a) sewage sludge's stabilization with clay minerals or biochar in comparison to liming, b) the effect of sludge treated with the minerals or biochar on the properties of two soils (one acid and one alkaline) and c) the effect of sludge treated with the minerals or biochar on the biomass yield, composition and nutrient uptake by perennial ryegrass (Lolium perenne L.) and white clover (Trifolium repens L.) grown in the two soils in pots, compared to the limed sludge or inorganic fertilization. Sludge’s stabilization was evaluated after mixing dewatered sewage sludge with bentonite, vermiculite, clinoptilolite, biochar and Ca(OH)2 at a rate of 0 (control), 15 and 30% (wet weight), in three replications. Mixtures were left for equilibration and air-drying for two months with periodic mixing. Taking into consideration the microbial load reduction, physicochemical properties, nutrient and heavy metal concentration of the mixtures at the end of the experiment, the 15% mixtures of sludge with bentonite, vermiculite, biochar and Ca(OH)2 were chosen for the pot experiments. The optimum addition rate of the mixtures to the two soils was chosen according to the results of a MSc thesis, in which the effect of mixtures on the soil physicochemical properties, available and total nutrient and heavy metal concentrations was evaluated. Thus, a 2% addition rate was chosen as optimum. The effect of sludge treated with the minerals or biochar on the properties of two soils and the biomass yield, composition and nutrient uptake by the two plant species were evaluated with two pot experiments. For the pot experiments, the following treatments were created, in three replications: 2% addition (~80 Mg ha-1) of untreated - just air-dried sludge, sludge treated with bentonite, sludge treated with vermiculite, sludge treated with biochar, limed sludge, N-P-K inorganic fertilization and no addition (control). For the pot experiment with clover the same treatments were employed, with an extra P-K inorganic fertilization treatment for each soil. The extra P-K inorganic fertilization treatment was employed since N inhibits the formation and function of N-fixing nodules on the roots of legumes. Pot experiments lasted for approximately two months each, during which three harvests of aboveground biomass were conducted for ryegrass and one for clover. At the end of stabilization period, the results showed a reduction of at least one logarithmic unit (log10) of almost all fecal indicators for the treated sludge with 15% bentonite, vermiculite or biochar, whereas pathogen load was not detectable at both limed treatments. In addition, Salmonella spp. was undetectable at all sludge treatments, including control. Sludge treated with 15% bentonite, vermiculite or biochar had higher readily available (water-soluble) NH4-N concentration compared to limed sludge treatments. Total concentrations of the heavy metals which regulate the agronomic use of sewage sludge were far below the legislative acceptable limits. Application of 2% sludge treated with 15% addition of minerals or biochar to the two soils increased the pH and cation exchange capacity of the acid soil, whilst enhanced the fertility of both soils by increasing plant available nutrients and organic matter. Moreover, soil application of treated sludge increased soil salinity and available concentrations of Zn and B at levels several times that of control. In addition, the biomass yield of ryegrass and clover increased by 133-171% and 117-233% at the acid soil treatments respectively, while corresponding increases of yield were 72-88% 14 and 114-153% at the alkaline soil treatments, compared to controls. Similar results were obtained for the uptake of macro- and micronutrients by the two plant species. Except for Cu and Zn, which are also essential nutrients for plant growth, the rest heavy metals which regulate the agronomic use of sewage sludge according to the legislation were not detectable in biomass of the two species. Results regarding arbuscular mycorrhizal fungi colonization and microbial properties of the two soils were rather inconclusive. For instance, even though microbial respiration increased or decreased in soil treatments, no statistically significant differences were detected among treatments, while even though arbuscular mycorrhizal fungi colonization increased, no increase of biomass yield or nutrient uptake by plants was observed. Furthermore, no N2-fixing nodules were observed on the roots of clover grown in all soil treatments including control. However, the significant decrease of the metabolic quotient, obtained at the acid soil treatments with the treated sludge compared to control, is probably an indication that the acidity stress of the microorganisms was reduced, as a result of pH improvement of the particular treatments. Based on the results of the PhD thesis, 2% (~80 Mg ha-1) soil application of sewage sludge treated with 15% bentonite, vermiculite or biochar is recommended for the improvement of the properties of soils and the nutrition of crops. However, caution is needed in respect to potential micronutrient phytotoxicity hazard, especially Zn and B, and risks of soil salinization and P build-up in sludge-amended soils.

Η αγρονομική χρήση της ιλύος αστικών λυμάτων, εξαιτίας της εδαφοβελτιωτικής και λιπαντικής αξίας της για τα φυτά, αποτελεί ίσως την καλύτερη λύση διάθεσής της στο περιβάλλον. Όμως η ιλύς έχει συχνά αξιόλογο φορτίο παθογόνων μικροοργανισμών και βαρέων μετάλλων, ενώ παράλληλα και οι απώλειες θρεπτικών στοιχείων (ειδικά του N) κατά τη σταθεροποίησή της μπορεί να είναι μεγάλες. Στόχοι της διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση: α) της χρήσης ορυκτών της αργίλου και βιοεξανθρακώματος ως υλικά σταθεροποίησης της ιλύος αστικών λυμάτων σε σύγκριση με την ασβέστωση, β) της επίδρασης της επεξεργασμένης ιλύος με ορυκτά της αργίλου και βιοεξανθράκωμα στη γονιμότητα, τις χημικές και μικροβιακές ιδιότητες δύο εδαφών (ενός όξινου και ενός αλκαλικού) και γ) της επίδρασης της επεξεργασμένης ιλύος με ορυκτά της αργίλου και βιοεξανθράκωμα στην απόδοση, τη σύσταση και την πρόσληψη θρεπτικών στοιχείων από πολυετές λόλιο (Lolium perenne L.) και τριφύλλι (Trifolium repens L.) που αναπτύχθηκαν στα δύο εδάφη σε φυτοδοχεία, σε σύγκριση με την ασβεστωμένη ιλύ ή την ανόργανη λίπανση. Για τη διερεύνηση της σταθεροποίησης της ιλύος με τα ορυκτά της αργίλου και το βιοεξανθράκωμα δημιουργήθηκαν μίγματα αφυδατωμένης ιλύος αστικών λυμάτων με μπεντονίτη, βερμικουλίτη, κλινοπτιλόλιθο, βιοεξανθράκωμα και Ca(OH)2 σε αναλογία 0 (μάρτυρας), 15 και 30% (σε υγρό βάρος), σε τρεις επαναλήψεις. Τα μίγματα αφέθηκαν προς εξισορρόπηση-αεροξήρανση για δύο μήνες, ενώ στο διάστημα αυτό πραγματοποιούνταν συστηματική ανάμιξη. Σύμφωνα με τη μείωση του φορτίου παθογόνων μικροοργανισμών, τις φυσικοχημικές ιδιότητες και την περιεκτικότητα σε θρεπτικά στοιχεία και βαρέα μέταλλα των μιγμάτων στο τέλος του πειράματος, επιλέχθηκε ως βέλτιστη η αναλογία ανάμιξης 15% της ιλύος με τον μπεντονίτη, τον βερμικουλίτη, το βιοεξανθράκωμα και το Ca(OH)2 για τα βιολογικά πειράματα. Για την επιλογή της βέλτιστης αναλογίας εφαρμογής των μιγμάτων της ιλύος με τα υλικά στα εδάφη πραγματοποιήθηκε προκαταρκτικό πείραμα στο πλαίσιο μεταπτυχιακής διατριβής σύμφωνα με το οποίο αποφασίστηκε ως βέλτιστη η αναλογία 2%. Η επιλογή της βέλτιστης αναλογίας έγινε με βάση την επίδραση των μιγμάτων στις φυσικοχημικές ιδιότητες των εδαφών και τις διαθέσιμες και ολικές συγκεντρώσεις των διαφόρων θρεπτικών στοιχείων και βαρέων μετάλλων. Για τη διερεύνηση της επίδρασης της επεξεργασμένης ιλύος στις ιδιότητες των δύο εδαφών και στην ανάπτυξη των δύο φυτών πραγματοποιήθηκαν δύο βιολογικά πειράματα σε φυτοδοχεία όπου δημιουργήθηκαν οι ακόλουθες μεταχειρίσεις για κάθε έδαφος, σε τρεις επαναλήψεις: προσθήκη 2% (~80 Mg ha1) μη επεξεργασμένης-απλώς αεροξηραμένης ιλύος, επεξεργασμένης ιλύος με μπεντονίτη, επεξεργασμένης ιλύος με βερμικουλίτη, επεξεργασμένης ιλύος με βιοεξανθράκωμα, επεξεργασμένης ιλύος με Ca(OH)2, προσθήκη N-P-K ανόργανης λίπανσης και καμία προσθήκη (μάρτυρας). Στο βιολογικό πείραμα με το λόλιο χρησιμοποιήθηκαν οι παραπάνω μεταχειρίσεις, ενώ στο πείραμα με το τριφύλλι δημιουργήθηκαν ξανά οι ίδιες μεταχειρίσεις με μία επιπλέον μεταχείριση, μόνο P-K ανόργανης λίπανσης για κάθε έδαφος. Η επιπλέον μεταχείριση ανόργανης P-K λίπανσης δημιουργήθηκε γιατί το N δρα ανασταλτικά ως προς τη δημιουργία και λειτουργία των φυματίων αζωτοδέσμευσης των ψυχανθών. Τα βιολογικά πειράματα διήρκησαν περίπου δύο μήνες το καθένα κατά τη διάρκεια των οποίων έγιναν τρεις συνολικά συγκομιδές της υπέργειας βιομάζας του λόλιου και μία του τριφυλλιού. Στο τέλος του πειράματος σταθεροποίησης, παρατηρήθηκε μείωση σχεδόν όλων των δεικτών των παθογόνων μικροοργανισμών κατά τουλάχιστον μια λογαριθμική μονάδα (log10) στις μεταχειρίσεις της ιλύος με προσθήκη 15% μπεντονίτη, βερμικουλίτη και βιοεξανθρακώματος, ενώ και στις δύο περιπτώσεις της ασβεστωμένης ιλύος (15 και 30%) οι 12 δείκτες των παθογόνων μικροοργανισμών ήταν μη ανιχνεύσιμοι. Επίσης, η Salmonella spp. ήταν μη ανιχνεύσιμη σε όλες τις μεταχειρίσεις της ιλύος, συμπεριλαμβανομένου και του μάρτυρα. Η επεξεργασμένη ιλύς με προσθήκη 15% μπεντονίτη, βερμικουλίτη ή βιοεξανθρακώματος περιείχε υψηλότερη συγκέντρωση άμεσα διαθεσίμου (υδατοδιαλυτού) NH4-N σε σχέση με την ασβεστωμένη. Σε κάθε περίπτωση οι ολικές συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων των μεταχειρίσεων ιλύος ήταν σε επίπεδα πολύ χαμηλότερα από τα ανώτερα επιτρεπτά της σχετικής νομοθεσίας που ρυθμίζει την αγρονομική χρήση της ιλύος. Η εφαρμογή της αναλογίας 2% της επεξεργασμένης ιλύος με προσθήκη 15% ορυκτών της αργίλου και βιοεξανθρακώματος στα δύο εδάφη αύξησε το pH και την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων του όξινου εδάφους, ενώ βελτίωσε τη γονιμότητα και των δύο εδαφών εμπλουτίζοντάς τα με διαθέσιμα θρεπτικά στοιχεία για τα φυτά και οργανική ουσία. Όμως, η εφαρμογή της επεξεργασμένης ιλύος αύξησε σημαντικά την αλατότητα καθώς και τις διαθέσιμες συγκεντρώσεις Zn και B των μεταχειρίσεων των εδαφών σε πολλαπλάσια επίπεδα των αρχικών. Επιπλέον παρατηρήθηκε αύξηση της απόδοσης σε βιομάζα του λόλιου κατά 133-171% και του τριφυλλιού κατά 117-233% στις μεταχειρίσεις του όξινου εδάφους, και αύξηση κατά 72-88% της απόδοσης του λόλιου και κατά 114-153% της απόδοσης του τριφυλλιού στις μεταχειρίσεις του αλκαλικού εδάφους, σε σχέση με τους μάρτυρες. Παρόμοια αποτελέσματα αποκτήθηκαν και για την πρόσληψη των μακρο- και μικροθρεπτικών στοιχείων από τα δύο φυτικά είδη. Εκτός από τον Cu και τον Zn, που επίσης είναι και απαραίτητα μικροθρεπτικά στοιχεία για τα φυτά, τα υπόλοιπα βαρέα μέταλλα που ρυθμίζουν την αγρονομική χρήση της ιλύος σύμφωνα με τη νομοθεσία ήταν μη ανιχνεύσιμα στη βιομάζα των δύο ειδών. Τα αποτελέσματα ως προς το μυκορριζικό αποικισμό των φυτών και τις μικροβιακές ιδιότητες των εδαφών ήταν ασαφή. Για παράδειγμα, αν και παρατηρήθηκε αύξηση ή μείωση της μικροβιακής αναπνοής στις μεταχειρίσεις των εδαφών δεν υπήρξαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των μεταχειρίσεων, ενώ αν και παρατηρήθηκε αυξημένος μυκορριζικός αποικισμός, αυτός δεν συνδεόταν με αντίστοιχη αύξηση της απόδοσης σε βιομάζα ή της πρόσληψης των στοιχείων από τα φυτά. Επίσης, στις ρίζες του τριφυλλιού που αναπτύχθηκε στις μεταχειρίσεις των εδαφών συμπεριλαμβανομένου και του μάρτυρα δεν σχηματίστηκαν φυμάτια αζωτοδέσμευσης. Όμως, η σημαντική μείωση του μεταβολικού πηλίκου στις μεταχειρίσεις του όξινου εδάφους με την επεξεργασμένη ιλύ σε σχέση με τον μάρτυρα, ίσως αποτελεί ένδειξη μείωσης της καταπόνησης των μικροοργανισμών του εδάφους εξαιτίας της οξύτητας, λόγω βελτίωσης του pH των συγκεκριμένων μεταχειρίσεων. Με βάση τα αποτελέσματα της διατριβής συνιστάται η εφαρμογή στα εδάφη 2% (~80 Mg ha-1) ιλύος αστικών λυμάτων επεξεργασμένης με προσθήκη 15% μπεντονίτη, βερμικουλίτη ή βιοεξανθρακώματος, για τη βελτίωση των εδαφικών ιδιοτήτων και για τη θρέψη των καλλιεργειών. Όμως, σε κάθε περίπτωση πρέπει να δίνεται προσοχή ως προς τους κινδύνους φυτοτοξικότητας μικροστοιχείων, ειδικά Zn και B, αλλά και αύξησης της αλατότητας των εδαφών σε μη επιτρεπτά επίπεδα καθώς και της συσσώρευσης P στα εδάφη.