Assessment of leaching behavior and human bioaccessibility of rare earth elements in typical hospital waste incineration ash in China

Highlights

• Leaching behavior and human bioaccessibility of REEs in HWI ashes were assessed.

• LREE leached amounts were higher than those of HREEs via both leaching tests.

• REEs were extracted to the higher level by PBET method compared to leaching test.

• Bioaccessibility results depend commonly on pH value and chelating role.

• Synergetic effects of contaminants in HWI ashes need further investigation.

Abstract

Leaching behavior and gastrointestinal bioaccessibility of rare earth elements (REEs) from hospital waste incineration (HWI) fly and bottom ash samples collected from Beijing and Nanjing Cities were assessed. In the same ash sample, the leaching concentrations of individual REEs determined by the Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP) were higher than those detected by the European standard protocol (EN-type test), thereby suggesting that the low pH value of leaching solution was an important factor influencing the leachability of REE. The REE bioaccessibility results, which were evaluated using the physiologically based extraction test (PBET), indicated that REEs were highly absorbed during gastric phase by dissolution; and subsequently precipitated and/or re-adsorbed in small intestinal phase. The relative amounts of the total REEs extracted by the TCLP method, EN-type test and PBET test were compared. In addition to the pH value of extraction solutions, the chelating role of REEs with organic ligands used in the PBET method was also an important parameter affecting REE adsorption in human body. Additionally, this study showed that REEs were extracted by these methods as concomitants of heavy metals and anions (NO₃⁻, F⁻, SO₄²⁻, and Cl⁻) from HWI ash, which probably caused the remarkably complex toxicity on human body by the exposure pathway.

Graphical abstract

Keywords

Assessment / Rare earth elements / Leaching behavior / Bioaccessibility / Hospital waste

References

[1] China E P A. National hazardous waste inventory. China Environmental Protection Department and China Development and Reform Commission. Beijing, 2008

[2] Bakkali M E L, Bahri M, Gmouh S, Jaddi H, Bakkali M, Laglaoui A, Mzibri M E L. Characterization of bottom ash from two hospital waste incinerators in Rabat, Morocco. Waste Management & Research, 2013, 31(12): 1228–1236

[3] Tzanakos K, Mimilidou A, Anastasiadou K, Stratakis A, Gidarakos E. Solidification/stabilization of ash from medical waste incineration into geopolymers. Waste Management (New York, N.Y.), 2014, 34(10): 1823–1828160;

[4] Tan Z, Xiao G. Leaching characteristics of fly ash from Chinese medical waste incineration. Waste Management & Research, 2012, 30(3): 285–294

[5] Valavanidis A, Iliopoulos N, Fiotakis K, Gotsis G. Metal leachability, heavy metals, polycyclic aromatic hydrocarbons and polychlorinated biphenyls in fly and bottom ashes of a medical waste incineration facility. Waste Management & Research, 2008, 26(3): 247–255

[6] Xie Y J, Zhu J X. Leaching toxicity and heavy metal bioavailability of medical waste incineration fly ash. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2013, 15(4): 440–448

[7] Zhao L, Zhang F S, Wang K, Zhu J. Chemical properties of heavy metals in typical hospital waste incinerator ashes in China. Waste Management (New York, N.Y.), 2009, 29(3): 1114–1121

[8] Johansson I, van Bavel B. Levels and patterns of polycyclic aromatic hydrocarbons in incineration ashes. Science of the Total Environment, 2003, 311(1-3): 221–231

[9] Zhao L, Zhang F S, Hao Z, Wang H. Levels of polycyclic aromatic hydrocarbons in different types of hospital waste incinerator ashes. Science of the Total Environment, 2008, 397(1-3): 24–30

[10] Chen P W, Liu Z S, Wun M J, Ran C L. Evaluating the mutagenicity of leachates obtained from the bottom ash of a municipal solid waste incinerator by using a Salmonella reverse mutation assay. Chemosphere, 2015, 124: 70–76

[11] Nemathaga F, Maringa S, Chimuka L. Hospital solid waste management practices in Limpopo Province, South Africa: a case study of two hospitals. Waste Management (New York, N.Y.), 2008, 28(7): 1236–1245

[12] Ibáñez R, Andrés A, Viguri J R, Ortiz I, Irabien J A. Characterisation and management of incinerator wastes. Journal of Hazardous Materials, 2000, 79(3): 215–227

[13] Gidarakos E, Petrantonaki M, Anastasiadou K, Schramm K W. Characterization and hazard evaluation of bottom ash produced from incinerated hospital waste. Journal of Hazardous Materials, 2009, 172(2-3): 935–942

[14] Zhao L, Zhang F S, Chen M, Liu Z, Wu D B, Wu J Z. Typical pollutants in bottom ashes from a typical medical waste incinerator. Journal of Hazardous Materials, 2010, 173(1-3): 181–185

[15] Grillo C A, Alvarez F, de Mele M A, Mele F L D. Cellular response to rare earth mixtures (La and Gd) as components of degradable Mg alloys for medical applications. Colloids and Surfaces. B, Biointerfaces, 2014, 117: 312–321

[16] Zhao L, Zhang F S, Zhang J. Chemical properties of rare earth elements in typical medical waste incinerator ashes in China. Journal of Hazardous Materials, 2008, 158(2-3): 465–470

[17] Tessier A, Campbell P G C, Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Analytical Chemistry, 1979, 51(7): 844–851

[18] US EPA. Toxicity Characteristic Leaching Procedure. USEPA Method 1311, SW-846 Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D C, 1992

[19] Jang Y C, Townsend T G. Leaching of lead from computer printed wire boards and cathode ray tubes by municipal solid waste landfill leachates. Environmental Science & Technology, 2003, 37(20): 4778–4784

[20] Denys S, Caboche J, Tack K, Rychen G, Wragg J, Cave M, Jondreville C, Feidt C. In vivo validation of the unified BARGE method to assess the bioaccessibility of arsenic, antimony, cadmium, and lead in soils. Environmental Science & Technology, 2012, 46(11): 6252–6260

[21] Juhasz A L, Weber J, Smith E, Naidu R, Rees M, Rofe A, Kuchel T, Sansom L. Assessment of four commonly employed in vitro arsenic bioaccessibility assays for predicting in vivo relative arsenic bioavailability in contaminated soils. Environmental Science & Technology, 2009, 43(24): 9487–9494

[22] Oomen A G, Hack A, Minekus M, Zeijdner E, Cornelis C, Schoeters G, Verstraete W, Van de Wiele T, Wragg J, Rompelberg C J, Sips A J, Van Wijnen J H. Comparison of five in vitro digestion models to study the bioaccessibility of soil contaminants. Environmental Science & Technology, 2002, 36(15): 3326–3334

[23] Pelfr�ne A, Waterlot C, Mazzuca M, Nisse C, Cuny D, Richard A, Denys S, Heyman C, Roussel H, Bidar G, Douay F. Bioaccessibility of trace elements as affected by soil parameters in smelter-contaminated agricultural soils: a statistical modeling approach. Environmental Pollution, 2012, 160(1): 130–138

[24] Ruby M V, Davis A, Schoof R, Eberle S, Sellstone C M. Estimation of lead and arsenic bioavailability using a physiologically based extraction test. Environmental Science & Technology, 1996, 30(2): 422–430

[25] China E P A. Environmental Protection Ministry of China. GB 16889–2008. Standard for Pollution Control on the Landfill Site of Municipal Solid Waste. Beijing: China Environmental Science Press, 2008

[26] Liang T, Li K, Wang L. State of rare earth elements in different environmental components in mining areas of China. Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186(3): 1499–1513

[27] Laveuf C, Cornu S, Guilherme L R G, Guerin A, Juillot F. The impact of redox conditions on the rare earth element signature of redoximorphic features in a soil sequence developed from limestone. Geoderma, 2012, 170(1): 25–38

[28] Li X, Chen Z, Chen Z, Zhang Y. A human health risk assessment of rare earth elements in soil and vegetables from a mining area in Fujian Province, Southeast China. Chemosphere, 2013, 93(6): 1240–1246

[29] Liang T, Zhang S, Wang L, Kung H T, Wang Y, Hu A, Ding S. Environmental biogeochemical behaviors of rare earth elements in soil-plant systems. Environmental Geochemistry and Health, 2005, 27(4): 301–311

[30] Dołęgowska S, Migaszewski Z M. Anomalous concentrations of rare earth elements in the moss-soil system from south-central Poland. Environmental Pollution, 2013, 178(1): 33–40

[31] Pagano G, Guida M, Tommasi F, Oral R. Health effects and toxicity mechanisms of rare earth elements-Knowledge gaps and research prospects. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2015, 115: 40–48

[32] Aquino L G, Morgana M, Carboni M A, Staiano M, Antisari M V, Re M, Lorito M, Vinale F, Abadi K M, Woo S L. Effect of some rare earth elements on the growth and lanthanide accumulation in different Trichoderma strains. Soil Biology & Biochemistry, 2009, 41(12): 2406–2413

[33] EN 12457–2. Characterization of waste-leaching; Compliance test for leaching of granular waste materials and sludges—Part 2: One-stage batch test at a liquid to solids ratio of 10L/kg for materials with a particle size below 4 mm (with or without size reduction), European Standards, 2002

[34] Wang C, Zhu N, Wang Y, Zhang F. Co-detoxification of transformer oil-contained PCBs and heavy metals in medical waste incinerator fly ash under sub- and supercritical water. Environmental Science & Technology, 2012, 46(2): 1003–1009

[35] Yu J, Sun L, Xiang J, Jin L, Hu S, Su S, Qiu J. Physical and chemical characterization of ashes from a municipal solid waste incinerator in China. Waste Management & Research, 2013, 31(7): 663–673

Acknowledgements

We would like to acknowledge all of the participators who collected HWI ash samples for this study from both the Beijing and Nanjing sites. This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51378180), the Technology Department of the Henan Science and Technology Fund Project (Nos. 142102210457 and 142102210456), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 30916014102).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg