OciepaPruszekLachOci.. - Society of Ecological Chemistry and

E C O LO GIC AL C H E M IS T R Y AN D E N GIN E E R IN G S
Vol. 15, No. 1
2008
Agnieszka OCIEPA*, Kamil PRUSZEK*, Joanna LACH*1 i Ewa OCIEPA*
WPŁYW DŁUGOTRWAŁEGO NAWOśENIA GLEB
OBORNIKIEM I OSADEM ŚCIEKOWYM NA WZROST
ZAWARTOŚCI METALI CIĘśKICH W GLEBACH
INFLUENCE OF LONG-TERM CULTIVATION OF SOILS BY MEANS
OF MANURE AND SLUDGE ON THE INCREASE
OF HEAVY METALS CONTENT IN SOILS
Streszczenie: Nawozy i odpady stosowane do celów nawozowych dostarczają glebom próchnicę, a tym samym poprawiają właściwości fizykochemiczne i gospodarkę wodną gleb. Oprócz niewątpliwych korzyści
wynikających ze stosowania takiego nawoŜenia istnieje niebezpieczeństwo wzbogacania gleb w metale cięŜkie
zawarte w tych nawozach. W artykule scharakteryzowano nawozy naturalne i odpady, a szczególnie najczęściej stosowane do uŜyźniania gleb osady ściekowe pod kątem zawartości metali. Z uwagi na duŜe zróŜnicowanie zawartości metali w składzie poszczególnych nawozów wskazano źródła metali w tradycyjnych i niekonwencjonalnych nawozach organicznych oraz w osadach ściekowych. Ponadto przedstawiono wyniki badań
gleb powiatu pajęczańskiego nawoŜonych przez wiele lat nawozami naturalnymi i osadem ściekowym. Analiza tych badań wskazuje na niewielki stopień zagroŜenia środowiska glebowego metalami wprowadzonymi
z ww. nawozami. Gleby niezanieczyszczone metalami (00 wg klasyfikacji IUNG) po wieloletnim stosowaniu
nawozów naturalnych, takich jak: obornik trzody chlewnej oraz osad ściekowy z komunalnej oczyszczalni, nie
zmieniły przynaleŜności do zerowej klasy gleb, stęŜenia badanych metali w glebach nie osiągnęły połowy
dopuszczalnych stęŜeń dla klasy o zerowym stopniu zanieczyszczenia. Pomimo korzystnych z punktu widzenia ochrony gleb wyników badań nie naleŜy lekcewaŜyć problemu zawartości metali szczególnie w stosowanych odpadach. Dla kompleksowej oceny wpływu stosowanych nawozów pod kątem wzbogacania środowiska
w metale cięŜkie naleŜy uwzględnić zawartość metali cięŜkich w uprawianych na tych glebach roślinach
i wynoszonych z plonem. Ponadto naleŜy zwrócić uwagę na fakt migracji metali z gleb do wód powierzchniowych i podziemnych. Jedynie ścisłe respektowanie istniejących przepisów dotyczących nawoŜenia oraz prowadzenie monitoringu gleb roślin i osadów warunkuje ich bezpieczne stosowanie.
Słowa kluczowe: nawozy naturalne, osady ściekowe, metale cięŜkie
Do celów nawozowych wykorzystuje się szeroki asortyment tradycyjnych nawozów
organicznych pochodzenia zwierzęcego i roślinnego, jak np. obornik, gnojowica, pomiot
ptasi, nawozy zielone, słoma czy torf, oraz liczne odpady organiczne, m.in. z przemysłu
* Instytut InŜynierii Środowiska, Politechnika Częstochowska, ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa,
tel. 034 325 09 17 wew. 49
1
Autor do korespondencji: [email protected]
104
Agnieszka Ociepa, Kamil Pruszek, Joanna Lach i Ewa Ociepa
rolno-spoŜywczego, ścieki i osady ściekowe, odpady roślinne. Wzbogacają one gleby
w substancję organiczną, wpływają kompleksowo na Ŝyzność i urodzajność gleb.
NaleŜy jednak podkreślić, Ŝe tradycyjne nawozy organiczne, a szczególnie odpady
organiczne mogą zawierać w swym składzie pewne ilości toksycznych metali cięŜkich,
takich jak: kadm, ołów, rtęć, cynk, nikiel itp. Długotrwałe i nieumiejętne stosowanie tych
nawozów moŜe stanowić zagroŜenie dla środowiska, którego efektem jest skaŜenie gleb,
pogarszanie jakości plonów, zanieczyszczenie wód powierzchniowych i podziemnych.
Źródła i zawartość metali cięŜkich
w tradycyjnych nawozach organicznych i osadach ściekowych
Metale cięŜkie obecne w składzie naturalnych nawozów pochodzą głównie z podawanej zwierzętom paszy, wody, a takŜe stosowanych leków weterynaryjnych. Ponadto
mogą być obecne w składzie preparatów higienicznych wykorzystywanych do czyszczenia obór czy w materiałach uŜywanych jako ściółki. Z uwagi na róŜne warunki chowu
zwierząt zawartość metali w tym samym nawozie, np. oborniku, moŜe znacznie się róŜnić w zaleŜności od gospodarstwa.
W tabeli 1 przedstawiono średnie wartości metali cięŜkich w najczęściej stosowanych nawozach organicznych.
Tabela 1
Średnia zawartość metali cięŜkich w wybranych nawozach organicznych [1, 2]
Zawartość [mg/kg s.m.]
Nawóz
Hg
Cd
Cr
Ni
Pb
Zn
Obornik
0,12
1,8
45,3
1,9
12,8
156
Gnojowica bydlęca
0,03
0,019
1,65
0,70
4,11
12,0
Gnojowica trzody chlewnej
0,07
0,24
1,86
1,20
3,65
14,6
Pomiot ptasi
0,08
0,06
15,4
10,05
7,52
108,3
Znacznie większe i na ogół bardzo zróŜnicowane są zawartości metali cięŜkich
w osadach ściekowych w porównaniu z wyŜej przedstawionymi naturalnymi nawozami.
Do celów nawozowych nadają się osady obciąŜone zanieczyszczeniami pochodzenia
naturalnego, czyli bytowo-gospodarcze oraz z przemysłu rolnego i spoŜywczego.
Analizując wyniki licznych badań, stwierdza się, Ŝe w osadach ściekowych ilość metali cięŜkich moŜe wahać się w bardzo szerokim zakresie [3, 4] np.:
• cynku - od kilkudziesięciu do kilku tysięcy mg/kg s.m.
• ołowiu - od kilku do kilkuset mg/kg s.m.
• chromu - od kilku do kilku tysięcy mg/kg s.m.
W związku z powyŜszym wykorzystanie osadów ściekowych do celów nawozowych
jest moŜliwe tylko pod warunkiem przestrzegania rygorystycznych przepisów dotyczących zawartości metali w osadzie oraz glebie, do której będą wprowadzane [5, 6].
Wpływ długotrwałego nawoŜenia gleb obornikiem i osadem ściekowym na wzrost zawartości …
105
Cel i zakres badań
Celem badań było określenie wpływu długoletniego nawoŜenia gleb obornikiem
i osadem ściekowym na ich wzbogacenie w metale cięŜkie. Badania były prowadzone
w listopadzie i grudniu 2006 r.
Zakres badań obejmował oznaczenie
- całkowitej zawartości Cd, Pb, Zn i Ni w oborniku krowim i osadzie ściekowym
- całkowitej zawartości Cd, Pb, Zn i Ni w glebach wzorcowych
- całkowitej zawartości Cd, Pb, Zn i Ni w glebach nawoŜonych przez kilkanaście lat
obornikiem krowim i osadem ściekowym.
Materiał i metodyka badań
Próbki obornika pochodziły z fermy krów w Ostrołęce. Próbki gleb nawoŜonych wyłącznie obornikiem z tej fermy (przez ostatnie 17 lat) pobrano z gruntów połoŜonych
nieopodal gospodarstwa. Próbki gleby stanowiącej wzorzec naturalnej zawartości metali
pozyskano z nieuŜytku bezpośrednio sąsiadującego z polem nawoŜonym.
Próbki osadu ściekowego pochodziły z miejskiej oczyszczalni w Pajęcznie. Próbki
gleby nawoŜonej tym osadem (przez ostatnie 10 lat) uzyskano z gospodarstwa w miejscowości Szczyty. Próbki gleby wzorcowej pobrano z nieuŜytku bezpośrednio
sąsiadującego z gruntem nawoŜonym osadem ściekowym. Wszystkie próbki gleb
pobierano
z głębokości
Nawozy i0÷20
glebycm.
pobierano do badań w sposób umoŜliwiający sporządzenie próbek
jak najbardziej reprezentatywnych [7]. Próbki średnie dla kaŜdego materiału sporządzono przez zmieszanie 10 próbek pierwotnych kaŜdego materiału. Po wymieszaniu i przesianiu próbek dokonano pomiaru pH oraz określono całkowitą zawartość metali cięŜkich.
Wyniki badań i ich omówienie
W tabeli 2 przedstawiono wyniki pomiaru pH analizowanych materiałów, a w tabeli 3
podano całkowitą zawartość kadmu, ołowiu, cynku i niklu w badanych nawozach
i glebach.
Tabela 2
Wartości pH badanych gleb i nawozów
Materiał
pH H 2O
Obornik
5,6
Gleba nawoŜona obornikiem
6,3
Gleba wzorcowa dla gleby nawoŜonej obornikiem
6,4
Osad ściekowy
7,6
Gleba nawoŜona osadem
6,7
Gleba wzorcowa dla gleby nawoŜonej osadem
6,6
106
Agnieszka Ociepa, Kamil Pruszek, Joanna Lach i Ewa Ociepa
Tabela 3
Całkowita zawartość wybranych metali cięŜkich
Materiał
Obornik
Gleba nawoŜona obornikiem
Gleba wzorcowa dla gleby nawoŜonej obornikiem
Osad ściekowy
Gleba nawoŜona osadem
Gleba wzorcowa dla gleby nawoŜonej osadem
Cd
0,42
0,30
0,23
1,5
0,41
0,21
StęŜenie metali [mg/kg s.m.]
Pb
Zn
2,5
70
7,8
36
12,0
27
20
970
11
47
10
21
Ni
1,9
3,6
5,2
13
5,2
4,0
Analizując wyniki przedstawione w tabeli 3, naleŜy stwierdzić, Ŝe w glebach wzorcowych zawartości badanych metali cięŜkich były znacznie mniejsze od wartości maksymalnych o zerowym stopniu zanieczyszczenia wg skali opracowanej przez Instytut
Uprawy NawoŜenia i Gleboznawstwa w Puławach [8, 9]. Gleby te moŜna uznać za nieskaŜone o naturalnych zawartościach metali.
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
Kadm
Cd
Ołów
Pb
Cynk
Zn
Nikiel
Ni
Zawartości metali cięŜkich w glebie nawoŜonej obornikiem krowim [mg/kg s.m.]
Dopuszczalne zawartości metali cięŜkich w glebach o 0º skaŜenia (dla gleb grupy C) [mg/kg s.m.]
Rys. 1. Zawartości poszczególnych metali cięŜkich w glebie nawoŜonej obornikiem krowim oraz zawartości maksymalne tych metali dla gleby o 0º zanieczyszczenia
Zawartość metali cięŜkich w badanym oborniku krowim była stosunkowo mała
w porównaniu z zawartościami średnimi przedstawionymi w literaturze. Zawartość kadmu i ołowiu w badanym osadzie ściekowym moŜna uznać za niską w kontekście ilości
średnich przedstawionych w literaturze, natomiast zawartość cynku i niklu była na poziomie zawartości średnich.
Wpływ długotrwałego nawoŜenia gleb obornikiem i osadem ściekowym na wzrost zawartości …
107
Porównując stęŜenia metali cięŜkich w glebie wzorcowej i w glebie nawoŜonej obornikiem, stwierdza się pewne wzbogacenie w Cd, Zn gleby nawoŜonej, co wynika
z zawartości tych metali w oborniku. Wzrost ten jest stosunkowo niewielki i mimo kilkunastoletniego nawoŜenia gleba nadal naleŜy do klasy 00. Zawartość Pb i Ni w glebie
nawoŜonej obornikiem była nieco mniejsza w porównaniu z glebą wzorcową, co wynika
z mniejszych zawartości Pb i Ni w oborniku niŜ w glebie wzorcowej. MoŜna więc uznać,
Ŝe nastąpiło pewne rozcieńczenie tych metali w wyniku długotrwałego nawoŜenia.
NawoŜenie gleb osadem ściekowym spowodowało wzrost zawartości wszystkich badanych metali w glebie (tab. 3). Mimo iŜ wzrost Cd i Zn był około dwukrotny, jednak
nie spowodował on zmiany przynaleŜności gleby do 00 zanieczyszczenia.
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
Kadm
Cd
Ołów
Pb
Cynk
Zn
Nikiel
Ni
Zawartości metali cięŜkich w glebie nawoŜonej osadem ściekowym [mg/kg s.m.]
Dopuszczalne zawartości metali cięŜkich w glebach o 0º skaŜenia (dla gleb grupy C) [mg/kg s.m.]
Rys. 2. Zawartości poszczególnych metali cięŜkich w glebach nawoŜonych osadem ściekowym oraz
zawartości maksymalne tych metali dla gleb o 0º zanieczyszczenia
Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono zawartości metali cięŜkich w badanych glebach
nawoŜonych obornikiem i osadem ściekowym w kontekście dopuszczalnych ich zawartości w glebach o zerowym stopniu zanieczyszczenia.
Wnioski
1. Na podstawie analizy danych literaturowych oraz przeprowadzonych badań stwierdza
się bardzo zróŜnicowane zawartości metali cięŜkich w naturalnych nawozach
organicznych, a szczególnie w osadach ściekowych.
108
Agnieszka Ociepa, Kamil Pruszek, Joanna Lach i Ewa Ociepa
2. Wykorzystanie osadów ściekowych jest uzasadnione i moŜliwe pod warunkiem przestrzegania rygorystycznych przepisów określających dopuszczalne zawartości metali
w osadach oraz glebach, do których będą wprowadzane.
3. Wyniki przeprowadzonych badań gleb nawoŜonych obornikiem i osadem ściekowym
wskazują na wzrost zawartości metali cięŜkich szczególnie w glebie nawoŜonej osadem. ObciąŜenie gleb metalami moŜna uznać jednak za stosunkowo nieduŜe, poniewaŜ nie spowodowało ono zmiany przynaleŜności gleb do grupy o zerowym stopniu zanieczyszczenia.
4. Pomimo korzystnych z punktu ochrony środowiska wyników badań nie naleŜy lekcewaŜyć zawartości metali cięŜkich szczególnie w stosowanych do celów nawozowych
osadach. Dla kompleksowej oceny wpływu stosowanych nawozów pod kątem wzbogacania środowiska w metale naleŜałoby uwzględnić zawartość metali wynoszonej
z plonem roślin oraz ilości migrujące do głębszych warstw gleby i wód podziemnych.
Podziękowanie
Praca została wykonana w ramach BW-401-208/2007.
Literatura
[1] Górecka H. i Górecki H.: Metale w nawozach organicznych i odpadach stosowanych do celów nawozowych. Przem. Chem., 2000, 79(2), 54-55.
[2] Ociepa E. i Lach J.: Metale cięŜkie w nawozach organicznych i odpadach stosowanych w rolnictwie.
Mat. Konf. Mikrozanieczyszczenia w środowisku człowieka, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2005, 133-138.
[3] Siuta J.: Przyrodnicze uŜytkowanie odpadów. Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa 2002.
[4] Podedworna J. i Heidrich Z.: Charakterystyka osadów z wybranych oczyszczalni ścieków pod kątem ich
wykorzystania na cele nieprzemysłowe. Mat. Konf. Osady ściekowe problem aktualny. Wyd. Politechniki
Częstochowskiej, Częstochowa 2001, 87-88.
[5] Rozporządzenie MOŚZNiL z dn. 1 sierpnia 2002 r. DzU Nr 134, poz. 1140.
[6] Wierzbicki T.L.: Wykorzystanie komunalnych osadów ściekowych do celów rolniczych. Mat. Konf. nt.
Nowe spojrzenie na osady ściekowe - odnawialne źródło energii. Wyd. Politechniki Częstochowskiej,
Częstochowa 2003, 163-169.
[7] Namiernik J., Łukasiak J. i Jamrógiewicz Z.: Pobieranie próbek środowiskowych do analizy. WN PWN,
Warszawa 1995.
[8] Kabata-Pendias A., Piotrowska M., Motowiecka-Terelak T., Maliszewska-Kordybach B., Filipiak K.,
Krakowiak A. i Pietruch C.: Podstwy oceny chemicznego zanieczyszczenia gleb, metale cięŜkie, siarka
i WWA. Państwowa Inspekcja Ochrony Środowiska, Warszawa 1995.
[9] Terelak H., Motowiecka-Terelak T., Maliszewska-Kordobach B. i Pietruch C.: Monitoring chemizmu
gleb ornych Polski - Program badań i wyniki 1995-2000. Państwowa Inspekcja Ochrony Środowiska,
Warszawa 2002.
Wpływ długotrwałego nawoŜenia gleb obornikiem i osadem ściekowym na wzrost zawartości …
109
INFLUENCE OF LONG-TERM CULTIVATION OF SOILS BY MEANS
OF MANURE AND SLUDGE ON THE INCREASE
OF HEAVY METALS CONTENT IN SOILS
Summary: The fertilizers and waste materials which are used as fertilizers deliver humus to soils and thus
they improve physical-chemical properties and water management of soils. Apart from some obvious benefits
arising from the usage of such fertilization, there exists a danger of enriching soils with heavy metals which
are included in the fertilizers. In the article there were characterized the natural fertilizers and wastes, and
especially there were described sewage residues, which are the most often used for the fertilizing of soils, as
regards the content of heavy metals. The great variety of metals amount in the composition of the particular
fertilizers caused that there were indicated the sources of metals in traditional and unconventional organic
fertilizers and in the sewage residues. What is more, there were presented the results of soils research in county
of Pajęczno which had been fertilized by means of natural fertilizers and sewage residues for many years. The
analysis of this research indicates a slight degree of hazard for soil environment by metals which had been
introduced together with the aforementioned fertilizers. The soils which have not been polluted by metals (00
according to IUNG, Pulawy, PL classification), after a many-year usage of natural fertilizers such as: swine
manure, hen manure, and sewage residue from a municipal sewage-treatment plant did not change the suitability to the 00 classification of soils. The concentrations of the examined metals in soils did not reach half of the
permissible concentrations for the classification of 00 of pollution. Despite the results of research are beneficial
from the soil protection point of view, there should not be disregarded the problem of metals content especially
in the used wastes. There should be stressed that for the complex evaluation of influence of the used fertilizers,
as regards enriching the environment into heavy metals, there should be taken into consideration the heavy
metals content in the cultivated, on these soils, plants and the ones taken with the crops. What is more, there
should be taken into consideration the metals migration from soils into surface and underground waters. The
only way to use the fertilizers safely is to respect the existing rules concerning fertilization accurately and to
carry out the monitoring of soils, plants, and residues.
Keywords: natural fertilizers, sewage residues, heavy metals