Autoři
Karel Hartig, Soňa Jonášová
Klíčová slova
odvodněné kaly – zplyňování – spalování – získávání fosforu – biochar
Využívání kalu a recyklace vody mají velký potenciál, který postupně zvyšuje svoji hodnotu zejména v souvislosti s měnícími se evropskými právními předpisy a megatrendy, jako je změna klimatu a účinné využívání primárních zdrojů surovin. Maximální využití potenciálu čistírenských kalů vyžaduje energetické a látkové využití kalů, které lze však dosáhnout pouze pomocí koncepčních řešení, efektivní spolupráce a uplatnění nejnovějších inovací v praxi.
Úvod
Využívání kalů a recyklace vod přinášejí velký potenciál, který je lépe využitelný v souvislosti se změnou evropské legislativy a megatrendy, jako jsou změna klimatu a postupné vyčerpávání primárních zdrojů (například fosforu), které vede k potřebě zvyšování efektivity jejich využívání. Maximálního využití energie a materiálů v kalech však můžeme dosáhnout jen díky koncepčním řešením, efektivní spolupráci a aplikaci nejnovějších inovací do praxe.
Podle Evropské komise přechod od lineární k cirkulární ekonomice znamená posílení konkurenceschopnosti Evropy, snížení závislosti na dovozu primárních surovin, vytvoření pracovních míst a díky těmto principům může evropská ekonomika ročně ušetřit zhruba 600 milionů tun materiálů [1], které jsou v současnosti považovány za odpad. Ten je totiž možno recyklovat a znovu využít. V České republice těmto změnám v současnosti brání zejména nízké skládkovací poplatky, které tak brzdí rozvoj recyklačního průmyslu. V přípravné fázi jsou ale jak novela zákona o odpadech, tak strategický dokument pro naplňování evropských cílů cirkulární ekonomiky. Systém kalového hospodářství tak čeká velké množství zásadních změn.Pojem „cirkulární ekonomika“
„Cirkulární ekonomika“ je pojem, který v současné době začíná být skloňován firmami a vládními institucemi v mnoha pádech. V zásadě se totiž jedná o způsob chování, který může významnou měrou přispět ke snižování rychlosti globálního oteplování a zároveň generovat zisk v dlouhodobém měřítku. Cirkulární ekonomika byla v podstatě zařazena mezi prioritní oblasti EU na začátku prosince roku 2015, kdy Evropská komise přijala balíček o cirkulární ekonomice. Cirkulární ekonomika je také pozitivním krokem v souladu s posuzováním životního cyklu – LCA (life cycle assessment). V rámci cirkulární ekonomiky se odpady z jedné činnosti stávají zdrojem pro činnost další, a tím se prodlužuje „život“ produktu, což v podstatě naplňuje cyklus od získávání surovin přes výrobu, užívání, úpravu po skončení životnosti, tj. recyklaci a odstraňování (tzn. od kolébky do hrobu). Cílem je minimalizovat objem materiálů – zdrojů, které hospodářský oběh opouštějí. Tento princip přispívá k snížení uhlíkové stopy a v konečné fázi může i výrazným způsobem snižovat emise skleníkových plynů.
Legislativní souvislosti
Evropská legislativa: Evropský balíček k cirkulární ekonomice, který vydala Evropská komise v prosinci roku 2015, uvádí mezi základními cíli nejen snížení skládkování veškerého odpadu na 10 % (což se týká i například kalů, které jsou v současnosti ukládány na skládky), ale i podporu aktivit, mezi které patří i opatření pro opětovné využívání vody a podpora průmyslové symbiózy. Toto jsou cíle, které se přímo týkají i vodního a odpadového hospodářství měst a průmyslových podniků. Balíček čeká konečná analýza a schválení Radou, které je plánováno na první čtvrtletí roku 2018.
Česká legislativa: Cíle obsažené v balíčku k cirkulární ekonomice se posupně transformují do národní legislativy. Aktivně jsou implementovány zejména v oblasti odpadového hospodářství při přípravě nového zákona o odpadech, ale týkají se i legislativy související s aplikací čistírenských kalů na zemědělskou půdu. V této oblasti sledujeme dlouhodobě trend zvyšujících se požadavků na snížení obsahu polutantů v kalech. V současné době je problematika obsahu těžkých kovů v kalech většinou zvládnuta, pozornost je zaměřena na další látky, jako jsou rezidua antibiotik, hormonů, pesticidů apod.Ekonomické souvislosti
Vzhledem ke zvyšujícímu se počtu obyvatel Země, který v roce 2017 přesáhl 7,5 miliardy, lze očekávat i enormní nárůst spotřeby primárních zdrojů a snižování resilience (odolnosti) světových trhů vůči výkyvům v jejich cenách.
Narůstající celosvětová poptávka nejenže překračuje planetární limity udržitelné spotřeby, ale přináší i narůstající tlak na intenzifikaci zemědělské produkce. Ta je samozřejmě úzce vázána i na zvyšující se potřebu zdrojů, mezi které patří i voda, minerální hnojiva, pesticidy a další ochranné prostředky pro zajištění dostatečných výnosů. Neznečištěná voda se stává klíčovým faktorem pro rozvoj zemědělství ve všech oblastech a vzhledem k dopadům změny klimatu lze předpokládat, že se z ní stane strategický zdroj. Voda, nakládání s dostupnými zdroji, efektivní využívání veškerého potenciálu, který přinášejí (a to jak materiálový, tak energetický), udržitelné nakládání s odpadní vodou a její navracení do ekosystémů se stávají výzvou pro zavádění principů cirkulární ekonomiky do praxe. Obsah cizorodých látek v odpadních vodách se totiž v uplynulých desetiletích rozrůstá o látky, které se do vodních zdrojů dostávají s velkým zpožděním (v případě podzemních vod) a často se jedná o látky těžce odstranitelné (farmaceutika, pesticidy). Jejich odstranění je nejen environmentálním, ale zejména ekonomickým problémem. Často je totiž provoz čistírenských technologií na odstranění reziduí cizorodých látek tak náročný, že nemůže fungovat bez národních či nadnárodních dotačních programů, a v horším případě i potřebné technologie na trhu chybí.Globální souvislosti a trendy změny klimatu
Vodní hospodářství se v dnešní době potýká s výzvami souvisejícími s potřebou nových ekoinovativních technologií a postupů, pro jejichž úspěšné uplatnění v praxi je nutná jak znalost globálních trendů změny klimatu, tak znalost technologická a procesní, stejně jako schopnost přizpůsobit daná řešení regionálním specifikům. Na tyto výzvy reaguje cirkulární ekonomika a její principy, které přinášejí řešení stavějící na pilířích environmentální i ekonomické udržitelnosti.
Současný stav hospodaření s kaly v rámci ČR
Stávající stav nakládání s kaly je prezentován v tab. 1 na základě údajů publikovaných ČSÚ pro rok 2016.
Tab. 1 Přehled způsobů využití kalů v ČR v roce 2016
Pro porovnání jsou jednotlivé způsoby využívání kalů uvedeny formou grafu (obr. 1), kde je podíl jednotlivých způsobů vyjádřen v procentech.
Obr. 1. Zastoupení jednotlivých způsobů odstranění kalů
Očekává se razantní zpřísnění legislativy týkající se používání kalů na hnojení zemědělských pozemků, a to i při použití kompostů. Jedním z cílů je zamezení kontaminace potravního řetězce cizorodými látkami, které jsou obsaženy v kalech. Jedná se především o organická rezidua na bázi antibiotik, hormonů apod. V roce 2017 se také v České republice otevřela diskuse na téma reziduí pesticidů, u kterých bylo překročení limitů naměřeno v desítkách čistíren odpadních vod. Termické zpracování kalů tento problém řeší a rovněž umožňuje tento proces zapojit do cirkulární ekonomiky.
Nakládání s kaly čistíren odpadních vod upravují následující předpisy: • Zákon č. 185/2001 Sb., o odpadech;• Zákon č.156/1998 Sb., o hnojivech, pomocných půdních látkách, pomocných rostlinných přípravcích a substrátech a o agrochemickém zkoušení zemědělských půd;
• Vyhláška č. 237/2017 Sb., kterou se mění vyhláška Ministerstva zemědělství č. 474/2000 Sb., o stanovení požadavků na hnojiva, ve znění pozdějších předpisů
• Vyhláška č. 377/2013 Sb., o skladování a způsobu používání hnojiv;
• Vyhláška č. 437/2016 Sb., o podmínkách používání upravených kalů na zemědělské půdě a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady a změně vyhlášky č. 341/2008 Sb., o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady a o změně vyhlášky č. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich používání na povrchu terénu a o změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady. Přímou aplikaci kalů na zemědělskou půdu upravuje vyhláška č. 37/2016 Sb. Zpřísňuje parametry mikrobiálního znečištění kalů a zavádí další sledované polutanty.
Vyhláška č. 237/2017 Sb. zavádí hygienické parametry substrátů, u kterých byly kaly použity k jejich výrobě. Pro jednotlivé složky substrátu, které byly použity při jeho výrobě, však přípustné množství mikroorganismů není limitováno. Protože však ne každý výrobce kompostu dosahuje požadovanou teplotu kompostování ve výši 70 °C, lze očekávat, že část producentů kompostů přestane čistírenský kal odebírat, a tím se zbaví nutnosti mikrobiální kontroly produkovaného kompostu/substrátu. Pracovní komise pro hnojiva Evropské komise připravuje změnu Nařízení o hnojivech, přičemž se očekává povinnost zpětného získávání fosforu z kalů včetně omezení možnosti ukládat kaly z ČOV na zemědělskou půdu.
Příklady využití principů cirkulární ekonomiky
SWECO a INCIEN plánují v dalších letech aplikovat principy cirkulární ekonomiky do praxe v rámci společných projektů, a to jak na municipální, tak i průmyslové úrovni, neboť je nezbytně nutné, aby se aktuální technologické poznatky dostaly rychle a efektivně do praxe, a tím pomohly naplňovat a využívat plánované legislativní cíle. Samotná legislativa však není hlavním hnacím motorem pro podobné aktivity. Tím je současný stav životního prostředí a potřeba přesunu k efektivnímu využívání přírodních zdrojů. Změny v legislativě mohou tento proces urychlit a zprůchodnit. Pro objasnění využitelnosti cirkulární ekonomiky v praxi se nabízí využít SWOT analýzu k vyjádření uplatnitelnosti ekoinovací a cirkulární ekonomiky ve vodním hospodářství v České republice, resp. v městských aglomeracích, a to na bázi konkrétní modelové situace.
Příklad analýzy podmínek pro uplatnění cirkulární ekonomiky v praxi je naznačen v tab. 2.
Tab. 2. Možnosti uplatnění cirkulární ekonomiky
Pro městské aglomerace se nabízí zahrnutí materiálových a energetických zdrojů do cirkulární ekonomiky. V současnosti existuje dílčí využívání jednotlivých odpadů jako zdroje surovin, ale to jen nejnižší stupeň cirkulární ekonomiky. Typickým případem je městská aglomerace, která má velký potenciál k zapojení produkovaných odpadů do cyklu a vytvoření vazeb mezi jednotlivými procesy, které jsou v konečné fázi šetrné k životnímu prostředí a přispívají k udržitelnému rozvoji. Jako typický příklad můžeme uvést 2 případové studie ze zahraničí.
Oslo – fermentační stanice Romerike zpracovává 50 000 tun organického odpadu ročně. Anaerobní digescí se původní odpad mění na cenné komodity, bioplyn a organické hnojivo. Ročně stanice vyprodukuje 4,5 milionu m3 bioplynu, který se upravuje na biometan a následně slouží k pohonu 135 autobusů MHD. Vyprodukuje se rovněž 90 000 m3 organického hnojiva, což vystačí na potřebu cca 100 středně velkých farem. Provozem autobusů na biometan se výrazně snížil hluk a emise oxidu uhličitého – cca o 10 000 t ročně. V Bristolu fermentační stanice zpracuje ročně 35 000 t potravinového odpadu a kal z čištění 75 milionů m3 odpadních vod. Ročně vyprodukuje 17 miliónů m3 bioplynu. Na základě bilancí bylo spočítáno, že 1 člověk vyprodukuje v potravinovém odpadu a ve splaškových vodách materiál, z kterého se fermentací vyrobí bioplyn na pohon jednoho ekobusu na vzdálenost 55 km. Popsaný cyklus zahrnuje jednotlivé fáze, které po vzájemném propojení tvoří ucelený základ cirkulární ekonomiky. Za jednotlivé části daného procesu lze považovat: • Sběr organického odpadu je nezbytným krokem k dosažení požadovaného scénáře. Vyžaduje však distribuci vhodných nádob a pravidelný a organizovaný svoz;• Svoz organického odpadu je podmínkou pro reálnost daného řešení. Svozová vozidla mohou rovněž býti poháněna upraveným bioplynem;
• Kompostování je ideálním formou pro nakládání s organickými odpady rostlinného původu v místě jeho vzniku. To má za následek snižování celkového množství produkovaného komunálního odpadu, což snižuje náklady na jeho svoz. Obyvatelé mohou s výhodou sami využívat produkovaný kompost pro vlastní potřebu;
• Bioplynová stanice zpracovává vhodné odpady a kaly z čištění odpadních vod při současné produkci bioplynu a digestátu;
• Produkce potravin je závislá na zemědělské činnosti a aplikace digestátu přispívá k zajištění produkce kvalitních potravin. Zbytky potravin jsou pak cenným vstupem do bioplynové stanice;
• MHD, popř. jiná vozidla používaná na kratší dojezdové vzdálenosti mohou být poháněna upraveným bioplynem produkovaným na bioplynové stanici;
• Produkce energie z bioplynu je výhodná především s využitím kogeneračních jednotek. Produkované teplo se využije na ohřev vlastního procesu a elektrická energie se buď prodá do rozvodné sítě, popř. se lokálně využije;
• Čistírna odpadních vod přesně zapadá do tohoto cyklu. Čistěním odpadních vod se produkuje kal, který je využitelný k výrobě bioplynu, digestát lze použít k přípravě kompostů a následně k hnojení. V přípravné fázi je využití kalu na přípravu biocharu, popř. lze zpracovávat usušený kal na výrobu energie či získávání fosforu. Jako nejvýhodnější se jeví kombinace uvedených metod.
Čistírna odpadních vod je potenciálním zdrojem, který umožňuje několikanásobné využití. Jedná se například o tyto směry:
ČOV → tvorba kalu → anaerobní fermentace → bioplyn → výroba energie a na pohon vozidel;
ČOV → tvorba kalu → anaerobní fermentace → digestát → hnojení;
ČOV → tvorba kalu → anaerobní fermentace → digestát → biochar → hnojení;
ČOV → zvýšené zachytávání fosforu do kalu → získávání fosforu z kalu;
ČOV → získávání tepelné energie z odtoku pomocí tepelných čerpadel;
ČOV → využívání vyčištěné odpadní vody k dalším účelům.
Reálné možnosti cirkulární ekonomiky v praxi
Použití cirkulární ekonomiky v praxi naráží na technická a obchodně organizační omezení. Zde stejně jako v jiných případech platí, že nestačí mít možnost proces cirkulární ekonomiky použít, ale musí být technicky zajistitelný a ekonomicky akceptovatelný. V podstatě to znamená, že nestačí daný produkt zpracovat patřičným způsobem, ale výsledný produkt musí být dále nejen uplatnitelný, ale musí být bezpodmínečně i uplatněn. K čemu je vyrobené teplo, když pro něj není odběratel. Tyto principy stále narážejí na ekonomickou bariéru, protože pro jednotlivé subjekty je často výhodnější jít nejlevnější cestou a principy cirkulární ekonomiky zatím nevyužívat. V současnosti je cirkulární ekonomika v malém uplatňována formou různých recirkulací v rámci jednoho podniku. Mimo rámec jednoho ekonomického subjektu je použití cirkulární ekonomiky minimální, a to z důvodu všeobecně nízké míry spolupráce mezi jednotlivými podniky (tzv. průmyslové symbiózy).
Při uplatňování a uvádění principů cirkulární ekonomiky do praxe mají taktéž nezastupitelnou roli municipality, jako vlastníci a provozovatelé podniků zajišťujících čištění odpadních vod, sběr a zpracování odpadů, produkci energie a další služby. Pro oblast čištění odpadních vod a pro zpracování kalů se v současnosti nabízí několik směrů, kterými lze dosáhnout požadovaných cílů. Většina metod je vzájemně propojena, takže poskytují vícenásobný účinek. Při využití produktů z čištění odpadních vod se jedná o komodity, které budou pro lidstvo v nejbližší době limitovány. Jedná se o fosilní paliva (zemní plyn, ropa, uhlí), dále o fosfor jako nezastupitelný biogenní prvek a vodu, která v životě má zcela nezastupitelnou roli.Kal produkovaný na ČOV patří mezi obnovitelné zdroje energie. Jeho anaerobní stabilizací vzniká bioplyn, který se v současnosti využívá v kogeneračních jednotkách s výrobou bioplynu. Tento způsob bude i nadále využíván. Současný trend v legislativě bude postupně omezovat možnost zemědělského využívání kalů. Zde nastupuje místo pro termické destrukční metody, kdy první fází je sušení kalů. Hlavní způsoby zpracování usušených kalů jsou zplyňování a pyrolýza. Pyrolýza s produkcí biocharu je využitelná v zemědělství, kde biochar působí částečně jako sorbent nežádoucích látek obsažených v půdě a přispívá k zadržování vody v půdě. V důsledku velmi pomalého rozkladu uhlíku přispívá k zadržování uhlíku a jeho odstranění z koloběhu. Takto odstraněné množství uhlíku však nesmí být nahrazeno spalováním fosilních paliv. O toto množství musí být snížena spotřeba energie, popř. energie obsažená v biocharu musí být získána z jiných zdrojů – vítr, slunce, geotermální energie, voda apod. Těžitelné zásoby fosforu dojdou okolo roku 2050, ale nevyváženost mezi zdroji a potřebou nastává již okolo roku 2025. Nevyváženost zdrojů a potřeby bude mít přímý dopad na cenu fosforu a tím i ekonomickou přijatelnost získávání fosforu z vody a kalů. V Německu lze již v současnosti sledovat přípravy na tuto dobu, protože popel ze zplyňování kalů je již separátně skládkován s myšlenkou budoucího vytěžení skládky.
Recyklace nutrientů z odpadních vod
Získávání fosforu z odpadních vod je možné dosáhnout několika způsoby:
• chemické srážení fosforu do formy struvitu neboli fosforečnanu hořečnato-amonného. Sraženina fosforečnanu zůstává zachycena v aktivovaném kalu nebo probíhá následné srážení a separace vzniklé sraženiny• termická likvidace kalu – spalování a využití popela k získávání fosforu. Dle velikosti spalovny se produkované teplo buď využívá, nebo nikoliv. Spalovaný kal nemusí být předem vysušený;
• zplyňování usušeného kalu s produkcí syngasu, který se dále využívá k výrobě tepelné energie, popř. jako surovina v chemickém průmyslu. Vzniklý popel se používá k získávání fosforu;
• pyrolýza usušeného kalu s produkcí pyrolýzního plynu, pyrolýzního oleje a biocharu – biouhlu. Biochar se s výhodou používá jako hnojivo bohaté na fosfor. Těžké kovy, které zůstaly zadržené v biocharu, se vrací zpět do půdy.
Principem cirkulární ekonomiky je propojení jednotlivých odvětví do velkého funkčního celku. V oblasti odpadového a vodního hospodářství se tak jedná o ideální kombinaci mezisektorové spolupráce, která vede k naplňování nejen legislativních cílů, ale je postavena i na dlouhodobě udržitelných procesech, které snižují negativní externality související s neustále narůstajícím počtem světové populace a její spotřebou.
Zavedení cirkulární ekonomiky do praxe je doprovázeno i nepřímými dopady. Mezi nepřímé dopady lze uvést dva příklady:
• zvýšeným zadržováním fosforu v kalech a jeho následným využíváním dojde k snížení vypouštění fosforu do toků a tím i k snížení eutrofizace povrchových stop;
• většina použitých metod má kladný dopad na snížení produkce skleníkových plynů a tím se přispěje k zpomalení až zastavení globálního oteplování planety.
Závěr
Pro zavedení cirkulární ekonomiky je důležitá důkladná příprava, která zahrnuje inventarizaci zdrojů, potřeb a možností. V podstatě se jedná o proces od získávání surovin přes výrobu, užívání, úpravu až po skončení životnosti. Přípravná fáze v podstatě zahrnuje:
• stanovení cíle a rozsahu prací;• inventarizační analýzu;
• stanovení a posuzování dopadu;
• konečný návrh a realizaci opatření.
S ohledem na současnost, blízkou i dalekou budoucnost lze hlavní cíle formulovat do jednotlivých oblastí činností:
• důraz na prevenci (sucho, zajištění zdrojů obnovitelných zdrojů energie, zvyšování efektivity využívání stávajících zdrojů apod.);
• propojení globálních výzev s dostupnými technologiemi a know-how;
• technologická připravenost na nadcházející období, kdy se předpokládají změny legislativy, klimatická změny, nedostatek primárních zdrojů;
• ekonomika: co se vyplatí již nyní a co až v budoucnosti, popř. co se nikdy nevyplatí, argumenty pro vedení města pro případy, když jednotlivé firmy ovládané městem preferují okamžitý ekonomický efekt před principy udržitelného rozvoje města. Vytvořit strategii udržitelného rozvoje města;
• sociální: využívání materiálů ve prospěch obyvatel (použití plynového pohonu vozidel se projeví sníženými emisemi do ovzduší, nižší hladinou hluku apod.) Cirkulární ekonomika je krokem k ekonomicko-ekologické budoucnosti, zahrnuje principy trvale udržitelného rozvoje, které uvádí do praxe. V krátkodobém horizontu může být dražší, než v současnosti používaná řešení, ale v střednědobém horizontu se bez jejího využití neobejdeme, a to jak z ekologického pohledu, tak i z hlediska nebezpečí blízkého vyčerpání některých přírodních zdrojů. Lze konstatovat, že jde o jakýsi postupný návrat z extenzivního přístupu k intenzivnějšímu přístupu využívání zdrojů (jedná se o způsob hospodaření, který v minulosti používali v zemědělství naši předci). Pro rychlejší uvedení cirkulační ekonomiky do praxe je proto důležitá její legislativní podpora, nezávislý pohled a vhodná forma podpory pilotních projektů.
Literatura/References
[1] http://europa.eu/rapid/press-release_MEMO-15-6204_cs.htm.
[2] https://zajimej.se/milan-moravec-o-cirkularni-ekonomice-potencial-je-obrovsky-stejne-tak-jako-penize-ktere-se-kolem-toho-motaji/.
Ing. Karel Hartig, CSc. (autor pro korespondenci)1)
Ing. Soňa Jonášová 2)
