Μελέτη τοξικότητας ιπτάμενης τέφρας

Abstract

The application of a battery of bioassays as a tool to complement physicochemical analyses and leaching tests is examined in this thesis, for the environmental hazard assessment arising from fly ash disposal. The leaching test methods that were used included the static tests ΕΝ 123457-2, ΕΝ 12457-3 and TCLP, the availability test ΝΕΝ 7341 and the dynamic leaching test ΝΕΝ 7343. The main objectives of the thesis are: i) the examination of both physicochemical and ecotoxicological properties of fly ash and the development of an integrated approach for the toxicity assessment of fly ash, ii) the detection of fly ash compounds that may exhibit both high release from solid to liquid phase and high toxicity and iii) the assessment of interactive effects between fly ash and humic acids, as well as between fly ash and soil, for an overall estimation of the environmental impact arising from the disposal of fly ash to the environment. The results of the study for six fly ashes examined showed that the release and the solubility of some heavy metals, such as Cu, Ni and Zn were limited due to high pH value of fly ash (pH up to 12.8). However, the high pH resulted to a relatively high release and solubility of oxyanion forming heavy metals such as Cr, Mo and Se. The toxic effects of eluates on the tested organisms (photobacterium Vibrio fischeri, microalgae Pseudokirchneriella subcapitata and crustacean Daphnia magna) were attributed mainly to Cr, Cu and Zn. The scheme for the prediction of the real environmental hazard of fly ash is proposed to include leaching and ecotoxicity tests in combination. The proposed technique for the basic characterization of the fly ash includes the two stage leaching test EN 12457-3, the availability test NEN 7341 and the measurement of the physicochemical and ecotoxicological characteristics of the resulting eluates. The proposed battery of ecotoxicity tests includes at least two bioassays; the crustacean Daphnia magna and the photobacterium Vibrio fischeri. Ecotoxicity test with Vibrio fischeri should be performed using exposure times 5, 15 and 30 min in order to increase the sensitivity of the test and to detect potential toxic effects caused by the action of heavy metals. Furthermore, the combined application of the availability test NEN 7341 as well as the study of interactive effects between eluates and soil can provide useful information regarding the availability of the fly ash compounds and its fate during a disposal scenario.

Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται η εφαρμογή των βιοδοκιμών ως συμπληρωματικό εργαλείο των φυσικοχημικών αναλύσεων και των δοκιμών έκπλυσης, για την αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τη διάθεση της ιπτάμενης τέφρας που παράγεται από την καύση άνθρακα. Οι δοκιμές έκπλυσης που εφαρμόσθηκαν περιελάμβαναν τις στατικές δοκιμές ΕΝ 123457-2, ΕΝ 12457-3 και TCLP, τη δοκιμή διαθεσιμότητας ΝΕΝ 7341 και τη δυναμική δοκιμή ΝΕΝ 7343. Οι δοκιμές έκπλυσης συνδυάσθηκαν με τη διερεύνηση της τοξικότητας των δειγμάτων παρουσία φυσικής οργανικής ύλης (χουμικά οξέα), καθώς και με τη διήθηση των υγρών έκπλυσης από το έδαφος. Οι βασικότεροι στόχοι της παρούσας διατριβής είναι: i) η μελέτη των φυσικοχημικών και οικοτοξικολογικών χαρακτηριστικών της ιπτάμενης τέφρας, ii) η διαμόρφωση μιας μεθοδολογίας για την ολοκληρωμένη προσέγγιση εκτίμησης της τοξικότητάς της, iii) ο εντοπισμός των συστατικών της ιπτάμενης τέφρας που μπορεί να παρουσιάσουν σχετικά υψηλή αποδέσμευση από τη στερεή φάση και τοξικότητα και iv) η εκτίμηση της αλληλεπίδρασης των υγρών έκπλυσης της ιπτάμενης τέφρας με τα χουμικά οξέα και το έδαφος. Τα αποτελέσματα της μελέτης έξι διαφορετικών δειγμάτων ιπτάμενης τέφρας έδειξαν ότι το σχετικά υψηλό pH της ιπτάμενης τέφρας (pH έως 12.8) περιορίζει την αποδέσμευση από τη στερεή φάση και τη διαλυτότητα βαρέων μετάλλων, όπως για παράδειγμα του Cu, του Ni και του Zn, ωστόσο ενισχύει την αποδέσμευση ορισμένων βαρέων μετάλλων που παρουσιάζουν οξυανιονικό χαρακτήρα, όπως το Cr, το Μο και το Se. Η τοξικότητα των υγρών έκπλυσης στους τρεις οργανισμούς που μελετήθηκαν (φωτοβακτήριo Vibrio fischeri, μικροφύκη Pseudokirchneriella subcapitata και καρκινοειδές Daphnia magna) οφείλεται κυρίως στο Cr, στον Cu και στον Zn. Η μεθοδολογία που προτείνεται για το βασικό χαρακτηρισμό της ιπτάμενης τέφρας και για την εκτίμηση της τοξικότητάς της, περιλαμβάνει την εφαρμογή της δοκιμής δύο σταδίων ΕΝ 12457-3 και της δοκιμής διαθεσιμότητας ΝΕΝ 7341 και μέτρηση των φυσικοχημικών και οικοτοξικολογικών χαρακτηριστικών των υγρών έκπλυσης. Για τις δοκιμές τοξικότητας προτείνεται τουλάχιστον η εφαρμογή της δοκιμής με το καρκινοειδές Daphnia magna και με το φωτοβακτήριο Vibrio fischeri. Επίσης, η εφαρμογή της δοκιμής διαθεσιμότητας ΝΕΝ 7341, καθώς και η μελέτη αλληλεπίδρασης των υγρών έκπλυσης με το έδαφος μπορεί να δώσει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τη διαθεσιμότητα των συστατικών και τις αλληλεπιδράσεις τους με τα συστατικά του εδάφους.