Pawelec, KrzysztofSiwek, Hanna promotor2022-05-182022-05-182021Pawelec, K. (2021). Wiązanie fosforanów w odciekach z osadów ściekowych na sorbentach hydrożelowych w aspekcie ich przyrodniczego wykorzystania = Binding of phosphates in leachate from sewage sludge on hydrogel sorbents in terms of their natural use : rozprawa doktorska. Szczecin, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, 45 [69] s. (Niepublikowana praca doktorska) https://hdl.handle.net/20.500.12539/1435https://hdl.handle.net/20.500.12539/1435Wzrost produkcji żywności zwiększa zapotrzebowanie na stosowanie nawozów, w tym nawozów fosforowych. Zasoby fosfo1ytów i apatytów są nieodnawialne, szacuje się, że ekonomicznie opłacalne złoża fosforu mogą zostać wyczerpania w ciągu 60 - 240 lat. Fosfor jest rozpraszany do środowiska w każdym ogniwie łańcucha pokarmowego człowieka powodując jedno z największych zagrożeń wód powierzchniowych jakim jest ich przyspieszona eutrofizacja. Negatywne skutki nadmiernego wyczerpywania i rozpraszania fosforu można ograniczyć poprzez jego recykling z ciekłych odpadów np. z ścieków komunalnych i produktów ich przetwarzania. Do pozyskania fosforu w fazie wodnej można wykorzystać proces adsorpcji. Proces ten prowadzony z roztworów wieloskładnikowych , jakimi są ścieki komunalne może wiązać się z adsorpcją innych często niepożądanych składników np. metali toksycznych. Adsorpcja jest tanią i efektywną metodą, która pozwala na powtórne wykorzystanie adsorbentu wraz z zaadsorbowanym fosforem np. w produkcji roślinnej. Taki adsorbent powinien charakteryzować się selektywnością adsorpcji i biodegradowalnością. Wymagania te spełniają adsorbenty alginianowe np. i1mowacyjne adsorbenty alginianowe sieciowane jonami żelaza(III) (Alg/Fe). Celem badań była ocena wpływu aktywacji jonami żelaza toberm01ytu na adsorpcję jonów fosforanowych w środowisku wodnym oraz zbadanie adsorpcji tych jonów i jonów metali toksycznych: Cu2+, Cd2+, Pb2+ i Zn2+ na adsorbencie Alg/Fe w odciekach powstających podczas odwadniania osadu ściekowego (WO). W układach wieloskładnikowych oceniono konkurencyjność adsorpcji, badano kinetykę adsorpcji i wyznaczano izotermy tego procesu w różnych układach wodnych wzbogaconych w jony fosforanowe i jony metali: Cu2 +, Cd2+, Pb2+ i Zn2+. Następnym celem były badania wstępne nad możliwością rolniczego wykorzystania adsorbentu Alg/Fe wzbogaconego jonami fosforanowymi z WO (Alg/Fe/P). Badano wpływ preparatu nawozowego Alg/Fe/P na wzrost i skład chemiczny rośliny modelowej życicy wielkokwiatowej (Lolium multfiorum Lam.) odmiany Tmtetra w porównaniu z nawożeniem mineralnym (superfosfatem). Przeprowadzono dwuczynnikowe doświadczenie wazonowe, czynnikiem pierwszego rzędu była dawka fosforu, natomiast czynnikiem drugiego rzędu był rodzaj nawozu fosforowego. Pierwsze koszenie przeprowadzono po 8 tygodniach, a dwa kolejne po sześciu. Zmierzono wybrane cechy morfologiczne (długości liścia i łodygi , szerokości liścia) i plon (świeżą i suchą masę) zebranych roślin oraz oznaczono wybrane mikro i makroskładniki w roślinie i w glebie. Przeprowadzone badania wykazały , że jony fosforanowe wykazuj ą porównywalne powinowactwo sorpcyjne do zeolitu nieaktywowanego i aktywowanego żelazem. Aktywacja zeolitu żelazem zwiększyła jego pojemność sorpcyjną o 25% i jednocześnie zmniejszyła siłę jego adsorpcji. Adsorbent Alg/Fe w WO wykazał największą pojemność sorpcyjną do jonów Cu2+, była ona prawie dwukrotnie większa w porównaniu do adsorpcji pozostałych badanych metali. Składniki WO zwiększały adsorpcję jonów metali. Wyjątkiem były jony Pb2+, które konkurowały ze składnikami tej wody, prowadz ą c do czterokrotnego zmniejszenia adsorpcji w porównaniu z procesem prowadzonym w wodzie destylowanej wzbogaconej w adsorbowane jony metali. Badanie konkurencyjności adsorpcji jonów fosforanowych i metali przez Alg/Fe wykazało , że adsorpcja jonów fosforanowych w wodzie destylowanej wzbogaconej w jony fosforanowe i jony metali (WD_PM) była efektywniejsza w porównaniu z adsorpcją z roztworu tych jonów przygotowanych w WO (WO_PM). Dodatek metali aktywował adsorpcję jonów fosforanowych , na co wskazuje istotnie wyższa waitość adsorpcji w WD_PM w porównaniu do adsorpcji z wody destylowanej wzbogaconej jedynie w jony fosforanowe (WD_P). Adsorpcja jonów fosforanowych na Alg/Fe w WO_PM była znacznie mniejsza w porównaniu z adsorpcją w odcieku z samymi jonami fosforanowymi (WO_P). Powinowactwo jonów metali do adsorbentu Alg/Fe kształtowało się następująco Pb2+>Cu2+>Cd2+>Zn2+ w WD PM oraz Cu2+>Pb2+>Cd2+>Zn2+ w WO PM. Nawożenie nawozem mineralnym i preparatem Alg/Fe/P dało zbliżone plony życicy wielokwiatowej , uzyskano także podobne zawaitości makro- i mikroelementów w roślinie i w glebie. Rośliny nawożone Alg/Fe/P miały wyższy poz10m zawartości Fe2+ Cu2+. W związku z tym, że adosrbent Alg/Fe adsorbuje również metale ciężkie zaleca się zastosowanie ich do sorpcji jonów fosforanowych z roztworów zawierających bardzo małe ilości metali toksycznych np. ze ścieków kom unalnych z nieuprzemysłowionego obszaru. Zrealizowane badania podążają za globalnym trendem równoważnego rozwoju. Otrzymane wyniki wskazują możliwość zastosowania adsorbentu alginianowego sieciowanego jonami żelaza(III) do oczyszczaniu wody odciekowej z przeróbki osadu ściekowego oraz użycia jako preparatu nawozowego w hodowli roślin. Wydaję się też konieczne jest kontynuowanie badań związanych z wykorzystaniem tego adsorbentu do recyklingu fosforu w środowisku naturalnym.The increase in food production increases the demand for the use of fertilizers, including phosphorns fertilizers. Phosphate and apatite resources are non-renewable, it is estimated that the economically viable phosphorns deposits can be used up in 60 to 240 years. Phosphorns is dispersed into the environment in every link of the human food chain, causing one of the greatest tlu·eats to surface waters, which is their accelerated eutrophication. The negative effects of excessive consumption and dispersion of phosphorns can be reduced by recycling it from liquid waste, e.g. from municipal wastewater and its treatment products. The adsorption process can be used to obtain phosphorns in the water phase. This process, cmTied out from multi-component solutions, such as municipal wastewater , may involve adsorption of other often undesirable components , e.g. toxic metals. Adsorption is a cheap and effective method that allows the reuse of the adsorbent together with adsorbed phosphorus , e.g. in plant production . Such an adsorbent should have adsorption selectivity and biodegradability. These requirements are met by alginate adsorbents, e.g. innovative alginate matrices cross-linked with iron (III) ions (Alg I Fe). The aim of the research was to evaluate the effect of activation with iron ions of tobe1morite on the adsorption of phosphate ions in the aqueous environment and to investigate the adsorption of these ions and toxic metal ions: Cu2+, Cd2+, Pb2+ and Zn2 + on the Alg/Fe matlices from the leachate generated dming sludge dewatering (WO). Inmulti-component systems, the competitiveness of adsorption was assessed , the kinetics of adsorption and the isotherms of this process were determined in various water systems emiched with phosphate ions and metal ions Cu2+, Cd2+, Pb2+ and Zn2+. The next aim was preliminmy research on the possibility of agricultural use of Alg/Fe mati·ices emiched with phosphate ions from WO (Alg/Fe/P). The effect of the Alg/Fe/P fertilizer preparation on the growth and chemical composition of a model plant of ltalian ryegrass (Lolium multiflorum Lam. cv. Turtetra) was investigated in comparison with minerał fertilization (superphosphate). A two-factor pot experiment was cmTied out, the phosphorus dose was the first-order factor, and the type of phosphorus fe1tilizer was the second­ order factor. The first cut was cmTied out after 8 weeks, and the next two after six weeks. Selected morphological features (leaf and stem length, leaf width) and yield (fresh and dry weight) of the harvested plants were measured , and selected micro and macronutrients in the plant and in the soil were determined. The conducted studies have shown that phosphate ions show comparable sorption affinity to zeolite inactivated and activated with iron. Activation of zeolite with iron increased its sorption capacity by 25% and at the same time decreased its adsorption strength. The Alg/Fe adsorbent showed the highest sorption capacity to Cu2+ ion The Alg/Fe adsorbent in WO showed the highest sorption capacity to Cu2+ ions, it was almost twice as large as compared to the adsorption of other tested metals. WO components increased the adsorption of metal ions The exception was Pb2+ ions, which competed with the components of this water, leading to a fourfold reduction in adsorption compared to the process canied out in distilled water enriched with adsorbed metal ions. The study of the competitiveness of phosphate and metal adsorption by Alg/Fe showed that the adsorption of phosphates in distilled water emiched in phosphates and metal ions (WD_PM) was more effective compared to the adsorption from a solution of these ions prepared in seepage water (WO_PM). The addition of metals activated the adsorption of phosphate ions, as evidenced by a significantly higher value of adsorption in WD_PM compared to adsorption from distilled water enriched only in phosphate ions (WD_P). The phosphate adsorption on Alg/Fe in WO_PM was significantly lower compared to the adsorption in the effluent with only phosphate ions (WO_P). The affinity of metal ions for Alg/Fe matrices was as follows: Pb2+>Cu2+>Cd2+>Zn2+ in WD PM and Cu2+>Pb2+>Cd2+>Zn2+ in WO PM. Fe1tilization with mineral fe1tilizer and Alg/Fe/P preparation gave similar yields of Italian ryegrass and similar macro- and micronutrient in the plant and in the soil. Plants fertilized with Alg/Fe/P had a higher level of Fe2+ and Cu2+ content. Due to the fact that Alg/Fe matrices also adsorb heavy metals, it is recommended to use them for sorption of phosphates from solutions containing very small amounts of toxic metals, e.g. municipal sewage from an unindusttialized area. The canied out research follows the global trend of sustainable development. The obtained results indicate the possibility of using alginate matrices cross-linked with iron(III) ions for the treatment of effluent of sewage sludge and as a fertilizer preparation in plant breeding. It also seems necessary to continue research on the use of this adsorbent for phosphorus recycling in the natura! enviromnent.plUznanie autorstwa 3.0 PolskaabsorbentfosforLolium multiflorumosady ściekoweżycica wielokwiatowaDyscyplina::Nauki rolniczeThesis