4.1. Badania fizykomechaniczne
Badania fizykomechaniczne wykonano na próbkach odpadów o różnej wilgotności, wahającej się od 0,3% dla popiołu energetycznego do 70% dla osadu ściekowego, wynikającej z procesów ich powstawania. Mieszaniny odpadów mineralnych z osadem ściekowym sezonowano siedem dni w warunkach polowych (naturalnych). Krótki czas sezonowania przyjęto ze względu na uciążliwość zapachową w czasie prowadzenia badań. Próbki osadu ściekowego, odpadów mineralnych i wytworzonych mieszanin homogenizowano mechanicznie przygotowując ilości potrzebne do badań fizykomechanicznych, mineralogicznych i chemicznych.
Zakres badań fizykomechanicznych obejmował określenie podstawowych parametrów osadu ściekowego i wykonanych mieszanin, jak: gęstość objętościową wilgotność, współczynnik filtracji, spójność, kąt tarcia wewnętrznego oraz, o ile było to możliwe, zagęszczalność. Badania wykonano zgodnie z normą PN-88/B-04481 Grunty budowlane. Badania próbek gruntów, uzupełniając praktyczne wykonanie oznaczeń informacjami z literatury (Pazdro 1977, Pisarczyk, Rymsza 1988, Grabowska--Olszewska 1990, Myślińska 1992).
Gęstość nasypową (objętościową) oznaczono metodą pierścienia tnącego według normy PN-76/B-06714.07 (obecnie PN-EN 1097-3:2000), a wilgotność wagowo zgodnie z PN-76/B-006714.17 (obecnie PN-EN 1097-5:2001). Oznaczenia współczynnika przepuszczalności (filtracji) odpadów niespoistych wykonano przy użyciu rurki Kamieńskiego w modyfikacji polegającej na swobodnym wypływie wody, a w pozostałych przypadkach metodą edometryczną o zmiennym naporze hydraulicznym (Pazdro 1977, Myślińska 1992). Oznaczenia parametrów wytrzymałości na ścinanie, tj. spójności oraz wartości kąta tarcia wewnętrznego wykonano zgodnie z normą PN-88/B-04481 w aparacie skrzynkowym, a dla poszczególnych odpadów mineralnych oznaczenia wilgotności optymalnej (zagęszczalności) w aparacie Proctora zgodnie z normą PN-88/B-04481.
Badania fizykomechaniczne osadów ściekowych, odpadów mineralnych i sporządzonych mieszanin tych materiałów wykonano w Laboratorium Analiz Odpadów Stałych Zakładu Monitoringu Środowiska Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach (Certyfikat Akredytacji nr AB 146), Laboratorium „Pomiar-GIG”
w Lublinie, mającym wdrożony system kontroli jakości badań, nadzorowany przez WIOŚ Lublin oraz w Zakładzie Geologii Inżynierskiej Wydziału Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego.
4.2. Badania mineralogiczne
Do badań mineralogicznych zastosowano rentgenowską metodę dyfrakcyjną (XRD), używając dwóch dyfraktometrów. Pierwszy z nich był dyfraktometrem Geigerflex firmy Rigaku Denki (Japonia), w którym wykorzystano promieniowanie
CoKα oraz filtr Fe, a drugim − dyfraktometr PW 3710 firmy Philips (Holandia), w którym wykorzystano promieniowanie CuKα, monochromator grafitowy i program operacyjny X’Pert for WIN. Skład mineralny oznaczono na podstawie danych z kartoteki ASTM, (Gaweł, Muszyński 1992) oraz bazy danych wzorcowych PDF-2.
Ocenę ilościową przeprowadzono na podstawie wzorcowania z zastosowaniem metodyki Schultza (1960) zmodyfikowaną przez Wiewiórę i współautorów (1981) oraz metodą Rietvelda (X’Pert Plus 1999). Badania mineralogiczne osadów ściekowych i odpadów mineralnych wykonano w Pracowni Rentgenograficznej Zakładu Mineralogii Wydziału Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego.
4.3. Badania chemiczne i radiometryczne
Badania chemiczne osadów ściekowych, odpadów oraz mieszanin osadów z odpadami przeprowadzono z wykorzystaniem oznaczeń w układzie: spektrometria fluorescencji rentgenowskiej (XRF) – spektrometria emisyjna z plazmą wzbudzoną indukcyjnie (AES-ICP) – chromatografia gazowa/cieczowa (GC/HPLC). Układ ten uzupełniony o wcześniej opisane badania mineralogiczne, z wykorzystaniem metody dyfrakcyjnej (XRD) oraz niektóre pozainstrumentalne metody, pozwala na sprawne prowadzenie badań gleb, gruntów, osadów ściekowych i odpadów (Bzowski, Dawidowski 2000, Bzowski, Bojarska 2003).
Podstawowy skład chemiczny oraz zawartość pierwiastków śladowych w badanych odpadach i mieszaninach oznaczono metodą (XRF). Zastosowano sekwencyjny spektrometr typu PW 1404 firmy Philips. Źródłem wzbudzania była lampa rentgenowska z podwójną anodą Cr-Au o mocy maksymalnej 3kW. Oznaczenia wykonano powszechnie znanymi metodami − opracowanymi w Zakładzie Monitoringu Środowiska GIG (Norrish, Chappell 1977, Tsuchiya i in. 1989, Stempin i in. 1994, Bojarska, Bzowski 1997). W przypadku oznaczania pierwiastków śladowych zastosowano korekcję tła. Korekta błędów efektów matrycowych, wynikająca z oddziaływań międzypierwiastkowych, została uwzględniona na etapie sporządzania krzywych kalibracyjnych (Stempin i in. 1994, Bojarska, Bzowski 1997, Bzowski, Stempin 1998). Zawartość składników chemicznych oraz metali ciężkich przeliczono na ilość w suchej masie. Zawartość węgla w badanych próbkach oznaczono według PN-90/G-04525, a ilość siarki zgodnie z PN-81/G-04514.01 (obecnie PN-ISO 334:1997).
Zawartość „wolnego” CaO w popiołach energetycznych oraz odpadach z metody półsuchego odsiarczania spalin oznaczono metodą miareczkową według PN-S-96035:1997.
Wyciągi wodne z badanych osadów ściekowych i ich mieszanin z odpadami mineralnymi wykonano w proporcji 1:10. Było to zgodne z wytycznymi zawartymi w Rozporządzeniu Rady Ministrów z dnia 27.12.2000 r. (Dz.U. nr 120, poz. 1284) zalecanymi przez Państwową Inspekcję Ochrony Środowiska. Test wymywalności (wyciąg wodny) jest jedną z najlepszych metod określania ilości zanieczyszczeń uwalnianych do środowiska i preferowany w krajach Unii Europejskiej (Raport 1994,
Heasman 1997, Van der Sloot i in. 1997). Podstawowe składniki wyciągów wodnych oznaczono następująco:
• sód i potas fotometrycznie − według PN-ISO 9964-3:1994,
• azot amonowy i azotanowy − zmodyfikowaną metodą Kjeldahla (Ostrowska i in.
1991),
• chlorki metodą Mohra − według PN-ISO 9297:1994,
• siarczany wagowo − według PN-74/C-04566.09.
Pomiary pH wyciągów wodnych wykonano metodą elektrometryczną według PN-90/C-04540.01, a zawartości metali ciężkich oznaczono metodą spektrometrii emisyjnej z plazmą wzbudzoną indukcyjnie (AES-ICP), wykorzystując spektrometr Optima 3000 DV Perkin Elmer. Całkowite zawartości rtęci w odpadach oraz w wyciągach wodnych oznaczono spektrometryczną metodą „zimnych par” przy użyciu spektrometru absorpcji atomowej AA-775 firmy Varian.
Analizę specjacjacyjną miedzi i cynku w próbce osadu ściekowego wykonano w wyciągach sekwencyjnych według preparatyki W. Emmericha i współpracowników (1982). Do ekstrakcji poszczególnych form metali użyto odczynników w następującej kolejności:
I. forma wymienna − 1,0M KNO3, II. forma organiczna − 0,5M NaOH, III. forma węglanowa − 0,05M EDTA, IV. forma rezydualna − 4,0M HNO3.
Oznaczenia Cu i Zn w poszczególnych ekstraktach wykonano metodą AES-ICP, wykorzystując własne procedury analityczne.
Sumę wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) oznaczono chromatografem cieczowym (HPLC) w roztworze chlorku metylenu po ekstrakcji metodą Soxhletta (Praca zbiorowa 1998). Sumę polichlorowanych bifenyli (PCBs) określono techniką chromatografii gazowej (GC-ECD) z fazy heksanowej uzyskanej ekstrakcyjnie podczas rozkładu substancji organicznej silnymi utleniaczami (Patnaik 1997, Praca zbiorowa 1998).
Analizę stężeń naturalnych izotopów promieniotwórczych: 224Ra, 226Ra, 228Ra i 40K w badanych osadach ściekowych i odpadach mineralnych wykonano metodą spektrometrii promieniowania gamma z wykorzystaniem detektora półprzewo-dnikowego, zgodnie z normą PN-89/Z 70073. Pomiary spektrometryczne promie-niotwórczości wykonano w Laboratorium Radiometrii Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach (Certyfikat Akredytacji nr AB 005).
4.4. Badania lizymetryczne
Do badań lizymetrycznych wykorzystano lizymetry 700/70 mm z plexiglassu.
Odpady i sporządzone z nich mieszaniny, w stanie powietrznosuchym, o uziarnieniu nie większym niż połowa średnicy lizymetru, umieszczono w nich bez ubijania.
27 Do wymywania użyto wody redestylowanej (przewodność właściwa < 2 μS/cm) o stymulowanej (za pomocą kwasu octowego) wartości pH = 5,7
− odpowiadającej odczynowi wody deszczowej. Tak przygotowaną „wodę” dozowano w ilościach odpowiadających średniorocznej, przeciętnej wielkości (około 700 mm) opadów atmosferycznych przypadającej na tereny województwa śląskiego. Po przeliczeniu ilości opadów przypadających na powierzchnię lizymetru, do każdego dozowano 7,5 cm3/dzień. W uzyskanych odciekach lizymetrycznych, po 180 dniach, oznaczono: pH, stężenie sodu, potasu, chlorków, siarczanów i metali ciężkich opisanymi wcześniej metodami stosowanymi w badaniach wyciągów wodnych. Wyniki oznaczeń przeliczono na 100 g materiału lub mieszaniny materiałów umieszczonych w lizymetrze. Takie wyliczenia pozwalają na porównanie stężeń w przesączach lizymetrycznych ze stężeniami stwierdzonymi w wyciągach wodnych (1:10).
Badania chemiczne i lizymetryczne osadów ściekowych, odpadów mineralnych i sporządzonych mieszanin tych materiałów wykonano w Laboratorium Analiz Odpadów Stałych Zakładu Monitoringu Środowiska GIG w Katowicach oraz Laboratorium
„Pomiar-GIG” Sp. z o.o. w Lublinie.