Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Programme doctoral Environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de chimie environnementale et écotoxicologie CECOTOX)

Organic pollutants in Swiss compost and digestate

Brändli, Rahel Christine ; Tarradellas, Joseph (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3599.

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    Summary
    Composting (aerobic treatment of organic wastes) and digestion (anaerobic treatment of organic wastes combined with biogas production) are important waste management strategies with increasing significance in the European Union and Switzerland. Most of the compost produced is applied to agricultural soils, which hereby recycles nutrients and influences soil properties beneficially. However, compost can contain pollutants that may be hazardous for the soil ecosystem. The problem related to heavy metals had been recognised and measures for reduction were taken. Regarding organic pollutants, the current knowledge is insufficient for quality control and risk assessment. This thesis provides a comprehensive overview on organic contaminates in compost, digestate, and presswater and describes factors that may influence them. In the beginning an extensive literature review was carried out to summarize the current data. Compound classes to be analysed in Swiss composts and digestates were prioritized and analytical methods established. Polychlorinated biphenyl concentrations (∑ of PCB 28, 52, 101, 118, 138, 153, 180) were significantly higher in urban (median: 30 μg/kgdry weight (dw), n=52) than in rural samples (median: 14 μg/kgdw, n=16), which points – together with low concentrations in general – to aerial deposition on feedstock material as major input pathway to compost. Median polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) concentration was 3010 μg/kgdw (∑ of 16 PAH defined by the US EPA except dibenzo[a,h]anthracene, n=69). PAH levels were influenced by the organic matter degradation process (higher levels in digestate than in compost), the season of input material collection (spring/summer>winter>autumn), the particle size (higher concentrations in unsieved or sieved >20mm than in sieved to ≤ 20mm products), and maturity (lower concentrations in more mature composts). One fourth of the samples exhibited PAH concentrations above the Swiss guide value for compost (Ordinance on the Reductions of Risks linked to Chemical Products). These elevated concentrations can lead to considerable input of PAH to soil by compost application. To assess the major contributors of PAH in compost, characteristic PAH ratios and some molecular markers were considered, which pointed mainly to combustion origin of these contaminants. Multifactor statistical analysis indicated traffic emission, straw combustion and some asphalt abrasion as potential additional sources. Concentrations of other organic pollutants determined (dibenzo-p-dioxins and -furans, dioxin-like PCB, brominated flame retardants (BFR), perfluorinated alkyl substances (PFAS), di(2-ethylhexyl)phthalate, nonylphenol and chlorinated paraffins) were mostly above levels found in background soil, except for nonylphenol, which was not detected. Out of 269 pesticides analysed, 30 fungicides, 14 herbicides, eight insecticides and one acaricide were detected. For the first time, the fate of organic pollutants during full-scale composting and digestion was assessed. Concentrations of low chlorinated PCB increased during composting (about 30 %), whereas a slight decrease was observed for the higher chlorinated congeners (about 10%). Enantiomeric ratios of atropisomeric PCB were close to racemic and did not change. Levels of low molecular weight PAH were reduced during composting (50 to 90% reduction), whereas heavier compounds remained stable. However, as indicated above, conventional composting does not reduce PAH concentrations sufficiently to comply with Swiss guide values (see above). Further research is needed to i) identify measures to reduce PAH concentrations in digestate and compost, ii) to monitor organic pollutants that are still increasing in other environmental matrices (e.g. BFR and PFAS) or identify new compounds which have not been detected in compost yet, iii) to evaluate potential risk of compost application to soil by assessing the bioavailable fractions of organic pollutants and iv) to examine possible new input materials and co-substrates for composting and digestion.
    Zusammenfassung
    Kompostierung (aerobe Behandlung von organischen Abfällen) und Vergärung (anaerobe Behandlung kombiniert mit Erzeugung von Biogas) sind wichtige Abfallbehandlungsverfahren in der europäischen Union und der Schweiz, mit steigender Bedeutung. Kompost wird vorwiegend auf landwirtschaftliche Böden ausgebracht, wodurch der Nährstoffkreislauf geschlossen und die Bodeneigenschaften positiv beeinflusst werden. Er kann jedoch Schadstoffe enthalten, welche für die terrestrischen Ökosysteme schädlich sein können. Die Probleme im Zusammenhang mit Schwermetallen wurden erkannt und entsprechende Massnahmen zur Reduktion ergriffen. Die Kenntnisse über organische Schadstoffe in Kompost sind nicht ausreichend für eine Risikoabschätzung und die Anwendung eines Qualitätsmanagementsystems. Die vorliegende Dissertation gibt einen detaillierten Überblick über organische Schadstoffe in Kompost, Gärgut und Presswasser und beschreibt Faktoren, welche die Konzentrationen beeinflussen können. Als Erstes wurde eine umfassende Literaturstudie durchgeführt und die Datenlage zusammengefasst. Die in Schweizer Kompost und Gärgut zu analysierenden organischen Schadstoffe wurden priorisiert und entsprechende Analysemethoden erarbeitet. Die Konzentrationen von polychlorierten Biphenylen (∑ von PCB 28, 52, 101, 118, 138, 153, 180) waren signifikant höher in städtischen Kompost- und Gärgutproben (Median: 30 μg/kgTrockensubstanz (TS), n=52) als in Proben von ländlichen Gebieten (Median: 14 μg/kgTS, n=16). Dies deutet, zusammen mit generell tiefen Konzentrationen, auf atmosphärische Deposition auf Ausgangsmaterial als wichtigsten Eintragspfad von PCB in den Kompost hin. Die mittlere Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) lag bei 3010 μg/kgTS (Median der ∑ von 16 PAK die durch die US-amerikanische Umweltbehörde (EPA) definiert wurden ohne Dibenzo[a,h]anthracen, n=69). Die PAK Gehalte wurden durch die Art des Abbauprozesses (höhere PAK Konzentrationen in Gärgut als in Kompost), durch die Saison, in welcher das Ausgangsmaterial gesammelt wurde (Frühling/Sommer > Winter > Herbst), durch die Siebweite (höhere Konzentrationen in ungesiebtem oder grob gesiebtem Kompost gegenüber gesiebtem (≤ 20mm) Material) und durch die Reife (tiefere PAK Gehalte in reiferem Kompost) beeinflusst. In einem Viertel der Proben wurde der Richtwert gemäss Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung überschritten. Diese erhöhten Konzentrationen können zu einem beachtlichen PAK-Eintrag in den Boden durch Kompostausbringung führen. Zwecks Identifizierung wichtiger Quellen von PAK in Kompost wurden charakteristische PAK Verhältnisse und molekulare Marker analysiert. Diese wiesen auf Verbrennungsprozesse als Hauptquelle hin. Ein multifaktorielles Modell identifizierte Verkehrsemissionen, Verbrennung von Stroh und Asphaltabrieb als weitere mögliche Quellen. Die Konzentrationen der weiteren analysierten Verbindungen (Dibenzo-p-dioxine und -furane, dioxin-ähnliche PCB, bromierte Flammschutzmittel (BFR), perfluorierte alkylierte Verbindungen (PFAS), Di(2-ethylhexyl)phthalat, Nonylphenol und chlorierte Paraffine) lagen vorwiegend über den Gehalten von Böden, welche eine übliche Hintergrundbelastung aufweisen. Von den 269 analysierten Pestiziden wurden 30 Fungizide, 14 Herbizide, acht Insektizide und ein Akarizid nachgewiesen. Zum ersten Mal wurde das Verhalten von organischen Schadstoffen während der Kompostierung und der Vergärung im Rahmen von Feldstudien untersucht. Die Konzentrationen von niedrig chlorierten PCB nahmen während der Kompostierung zu (ungefähr 30%), wohingegen diejenigen von höher chlorierten leicht abnahmen (ungefähr 10%). Die Enantiomeren-Verhältnisse von chiralen PCB waren racemisch änderten sich nicht. Leichte PAK verschwanden im Laufe der Kompostierung, wohingegen schwerere Verbindungen stabil blieben. Diese Reduktion reicht jedoch nicht aus, um ausschliesslich Komposte zu produzieren, deren PAK Gehalte unter dem Richtwert liegen. (siehe oben). Weitere Untersuchungen sind erforderlich um i) Massnahmen zur Reduktion der PAK Konzentrationen im Kompost und im Gärgut zu erarbeiten, ii) organische Schadstoffe zu überwachen, die in anderen Umweltkompartimenten ansteigende Konzentrationen zeigen (z.B. BFR und PFAS) oder neue Verbindungen zu identifizieren, iii) den biologisch verfügbaren Anteil der Schadstoffe im Boden nach der Kompostausbringung zwecks Risikoabschätzung zu bestimmen, und iv) mögliche neue Ausgangsmaterialien und Co-Substrate für die Kompostierung und Vergärung zu prüfen.
    Résumé
    Le compostage (le traitement aérobie de déchets organiques) et la méthanisation (le traitement anaérobie de déchets organiques combiné avec la production de biogaz) constituent des stratégies importantes pour la gestion des déchets dont l'importance augmente dans l'Union Européenne et en Suisse. La majeure partie du compost est appliquée sur les surfaces agricoles, ce qui permet de recycler les éléments nutritifs et d'améliorer les propriétés du sol. Cependant, le compost peut contenir des polluants, qui peuvent avoir des impacts sur l'écosystème du sol. Les problèmes dus aux métaux lourds ont été reconnus et des mesures de réduction ont été prises. Par contre, les connaissances actuelles relatives aux micro-polluants organiques sont insuffisantes pour permettre le contrôle de la qualité du compost et la gestion des risques liés à son utilisation. Cette thèse donne une vue d'ensemble sur la présence des micro-polluants organiques dans les composts, les digestats et les jus de pressage. Elle caractérise les facteurs qui influencent l'occurrence de ces composés dans ces produits. Au début du présent travail, une importante étude bibliographique a été réalisée pour répertorier les données actuelles. Les classes de substances prévues pour l'analyse ont été priorisées et les méthodes analytiques ont été adaptées. Les concentrations des polychlorobiphényles, PCBs (somme des PCBs 28, 52, 101, 118, 138, 153, 180) dans les échantillons urbains (médiane : 30 μg/kg rapportés à la matière sèche (MS), n=52) sont supérieures à ceux d'origine rurale (médiane : 14 μg/kgMS, n=16). Cette différence statistiquement significative, ainsi que les faibles concentrations mesurées indiquent que la déposition atmosphérique sur les matériaux de base représente la voie principale de contamination du compost. La concentration médiane des hydrocarbures polycycliques aromatiques (HAPs) est de 3010 μg/kgMS (somme des 16 HAPs définis par la US EPA à l'exception du dibenzo[a,h]anthracène, n=69). La teneur des HAPs est influencée par le processus de dégradation de la matière organique (les digestats montrent des concentrations plus élevées que le compost), la saison pendant laquelle les matériaux de base sont collectés (printemps/été>hiver>automne), le criblage (les concentrations sont plus élevées dans les produits non tamisés ou tamisés à >20 mm comparé à ceux tamisés à <20 mm) et la maturité (les concentrations sont plus faibles dans les composts plus mûrs). Un quart des échantillons dépasse la valeur indicative pour le compost d'après l'Ordonnance sur la réduction des risques liés aux produits chimiques. Ces concentrations élevées peuvent entraîner des apports considérables de HAPs dans les sols suite à l'application du compost. Afin d'évaluer les sources principales des HAPs dans le compost, les rapports caractéristiques des HAPs et des marqueurs moléculaires ont été pris en considération. Ils indiquent que la combustion est la source principale de contamination induite par ces composés. L'analyse statistique multifactorielle indique que les émissions provenant du trafic routier, de la combustion de la paille et de l'abrasion de l'asphalte représentent des sources supplémentaires potentielles. Les concentrations des autres polluants organiques recherchés (dibenzo-p-dioxines polychlorées et dibenzofuranes polychlorées, PCBs analogues des dioxines, les retardateurs de flamme polybromés, les substances alkylées perfluorées, le bis(2-ethylhexyl)phtalate (DEHP), le nonylphénol et les paraffines chlorées) sont plus élevées que le bruit de fond mesurés dans les sols sauf pour le nonylphénol qui n'a pas été détecté. Parmi les 269 pesticides analysés, 30 fongicides, 14 herbicides, huit insecticides et un acaricide ont été détectés. Pour la première fois, le devenir des micro-polluants organiques pendant le compostage et la méthanisation a été étudié en conditions réelles. Les concentrations des PCBs faiblement chlorés augmentent d'environ 30 % pendant le compostage et une diminution peu importante a été observée pour les congénères à degré de chloration plus élevé (environ 10 %). Les rapports enantiomériques des PCBs atropisomériques sont racémiques et restent inchangé. Les teneurs des HAPs à faible poids moléculaire diminuent (réduction de 50 à 90 %) mais les composés de poids moléculaire plus élevés restent inchangés. Cependant, les concentrations en HAPs ne sont pas suffisamment réduites pendant le compostage pour rendre les produits compatibles aux valeurs indicatives suisses (cf. plus haut). Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour i) identifier des mesures appropriées afin de réduire les concentrations en HAPs dans les digestats et les composts, ii) suivre les micro-polluants organiques qui augmentent dans d'autres matrices environnementales (p.ex. les retardateurs de flamme polybromés, les substances alkylées perfluorées) ou identifier de nouvelles substances qui n'ont pas été détectées jusqu'à ici et iv) étudier des nouveaux matériaux de départ potentiellement prévus pour le compostage et la digestion.