Využití odpadů z ČOV jako zdroje organických látek a živin

Pro dlouhodobé udržení produktivity agroekosystémů a ochranu životního prostředí je nezbytné vyvíjet a realizovat taková opatření, která zabezpečí udržení půdní úrodnosti, především s ohledem na obsah a kvalitu organické hmoty, obsah a přijatelnost živin a biologický režim půd. Zemědělská praxe, zvláště kultivace a aplikace organických hnojiv působí na činnost půdních mikroorganismů, které ovlivňují mineralizaci, koloběh živin a organické hmoty. Jelikož dávky chlévského hnoje v posledních letech výrazně klesly, je snahou nahradit hnůj jinými organickými materiály obdobných vlastností. Možné výhody poskytuje aplikace kalů z čistíren odpadních vod. Ačkoliv existují různé názory na využití kalů především s ohledem na obsah rizikových prvků a organických polutantů, představují kaly výhody v dlouhodobém vlivu na obsah a přijatelnost živin v půdě, obsah organických látek a tvorbu humusu a biochemických vlastností půdy.

Kal je podle základní definice suspenze nerozpuštěných látek ve vodě (Dohányos et al., 1998). Čistírenské kaly vznikají při různých procesech používaných při čištění odpadních vod. Hlavní podíl kalu vzniká na městských čistírnách odpadních vod (ČOV) při mechanickém (primárním) a biologickém (sekundárním) čištění odpadní vody. Kal je však pochopitelně produkován také na průmyslových čistírnách odpadních vod. Vlastnosti a složení kalu jsou závislé na skladbě čištěné odpadní vody a na způsobu zpracování kalu před jeho odvozem z objektu ČOV. Variabilita ve složení kalu je významná především u průmyslových čistíren odpadních vod.

Obr. 1: Schéma tvorby a zpracování čistírenského kalu

Kal z mechanického čištění městských odpadních vod (primární kal) obsahuje nerozpuštěné látky vyskytující se v surové odpadní vodě. Vzhledem k tomu, že většina nerozpuštěných látek anorganické povahy je z odpadní vody odstraněna již při předčištění, převažují v tomto kalu organické látky. Kal z biologického čištění (sekundární kal) obsahuje především přebytečnou biomasu využívanou při čištění odpadní vody.

A - primární (mechanické) čištění odpadních vod, separace suspendovaných látek; B - biologické aerobní čištění s recyklem aktivovaného kalu a odvodem přebytečného aktivovaného kalu; C - operace úpravy a stabilizace kalu; D - způsoby využití a likvidace kalu (Dohányos, 2004)

Primární a sekundární kal se na ČOV zpravidla mísí a dále se zpracovává ve formě směsi. Zpracování směsi primárního a sekundárního kalu je založeno zpravidla na jeho biologické stabilizaci. Ta nejčastěji probíhá v anaerobních podmínkách (proces označujeme jako anaerobní stabilizaci kalu). Především na menších ČOV se však poměrně často setkáváme také s aerobní stabilizací kalu.

Principem biologické stabilizace kalu je rozklad biologicky rozložitelných organických látek mikroorganismy. Výsledkem stabilizace kalu je proto především pokles zastoupení organických látek v kalu. Zatímco obsah organických látek stanovených jako ztráta žíháním dosahuje v surovém kalu většinou cca 70 %, u stabilizovaného kalu by neměl přesahovat 50 %. Významným způsobem je v důsledku stabilizace kalu snížen také výskyt patogenních organismů. V biologicky stabilizovaném kalu by již neměly probíhat intenzivní biologické pochody působící senzorické a hygienické problémy. Zbylé organické látky jsou již poměrně obtížně a pomalu rozložitelné. Při anaerobní stabilizaci je podobně jako na zemědělských bioplynových stanicích produkován energeticky využitelný bioplyn (Chudoba et al., 1991, Dohányos et al., 1998).

Biologicky stabilizovaný kal je tekutým materiálem o sušině do 10 %. Pro jeho další zpracování je potřeba kal odvodnit a zvýšit podíl sušiny na hodnoty okolo 25 – 30 %. Odvodňování kalu probíhá na kalolisech, sítopásových lisech nebo odstředivkách. Kal s uvedeným obsahem sušiny je již pevnou hmotou, která je odvážena mimo objekt ČOV. Právě tento materiál je v praxi možno využít v zemědělství. Zajímavostí je, že s ohledem na výše uvedenou definici (suspenze nerozpuštěných látek ve vodě) se v pravém slova smyslu již o kal nejedná.

Přes pokles zastoupení organické frakce, ke kterému dochází při stabilizaci kalu, obsahuje čistírenský kal významné množství využitelné organické hmoty. Vzhledem k zabudování důležitých živin obsažených v odpadní vodě do buněk mikroorganismů při biologickém čištění odpadních vod jsou v čistírenském kalu zastoupeny v podstatě všechny důležité živiny. Obsah fosforu může být relativně vysoký především v případě tzv. zvýšeného biologického odstraňování fosforu, popřípadě při dávkování vhodných srážedel do mechanického nebo biologického stupně čištění.

Graf 1: Změny v obsahu dusíku mikrobiální biomasy v ornici po aplikaci různých hnojiv

Stabilizované odvodněné čistírenské kaly tak představují vhodný typ hnojiva pro zemědělskou půdu. Hnojivý účinek kalů spočívá v obsahu organické hmoty, makroprvků (především N a P), obsahu stopových prvků a biologicky aktivních látek. Hlavním limitujícím faktorem využívání kalů v zemědělství je obsah cizorodých látek v kalech a přítomnost patogenních mikroorganismů. Z cizorodých látek jsou to především těžké kovy. Jejich koncentrace v kalech se daří postupně snižovat. Druhou a v současné době nebezpečnější skupinou cizorodých látek jsou organické chlorované látky (PCB, dioxiny aj.), polycyklické aromatické uhlovodíky a dále organické sloučeniny, jako jsou farmaceutika, endokrinní disruptory, chemikálie pro domácnost a další.

V současné době se u nás použití čistírenských kalů v zemědělství řídí vyhláškou č. 382/2001 Sb. Tato vyhláška je plně v souladu se směrnicemi Rady EU č. 86/278/EEC, která určuje, za jakých podmínek lze čistírenské kaly v zemědělství využívat.

Chemické a biologické složení čistírenských kalů závisí na technologii čistírny odpadních vod a na průběhu procesů ošetření kalů. Živiny obsažené v čistírenských kalech zvyšují význam jejich aplikace na zemědělskou půdu. Obsah živin, především dusíku, je jedním z hlavních ukazatelů pro stanovení dávky kalů. V tabulce I. jsou uvedeny obsahy živin v čistírenských kalech. Zastoupení živin, zvláště dusíku, může významně kolísat, a je proto nezbytné provést analýzu aplikovaného kalu. Obsah živin v kalech je zpravidla vyšší než ve stájových hnojivech, s výjimkou draslíku, kterého je většinou méně než 0,5 %.

Tabulka I: Obsahy živin v čistírenských kalech přepočtené na sušinu kalu

¹⁾ Sommers (1977), ²⁾ Wang (1997) ³⁾ Stehouver (1999) ⁴⁾ Bozkurt et Yarilgac (2003), ⁵⁾ Antolín et al. (2005), ⁶⁾ Černý et al. (2009)

Graf 2: Výnos brambor, ozimé pšenice a jarního ječmene (t/ha OJ) – průměr pěti stanovišť v ČR za 12 let

Dusík je obsažený v čistírenských kalech v organické formě a ve formě minerální, jako amonný nebo nitrátový dusík. Forma dusíku je důležitá pro stanovení přístupnosti dusíku pro rostliny. Koncentrace organického a anorganického dusíku v čistírenských kalech je ovlivněna způsobem ošetření kalů manipulací při použití. Velký podíl organického dusíku je vázaný k pevné části kalů, a tak je obsah organického dusíku značně ovlivněn procesy odvodnění, nebo sušení. Koncentrace minerálních forem dusíku výrazně klesá odvodněním. Také zahřívání, nebo aerace vedou ke snížení amonného dusíku především vlivem volatilizace amoniaku. Aerobní podmínky také přispívají k rychlejšímu průběhu nitrifikace v čistírenském kalu, které naopak anaerobní ošetření inhibuje. Běžně je v čistírenských kalech většina minerálního dusíku ve formě amonné (až 90 %), jestliže byly kaly ošetřeny anaerobním způsobem. Ve stabilizovaných odvodněných čistírenských kalech tvoří obsah minerálního dusíku 10 % z celkového obsahu dusíku, v tekutých kalech však představuje obsah minerálního dusíku 25 – 50 % z celkového obsahu dusíku. Organický dusík zahrnuje hlavně aminokyseliny, což je ovlivněno především obsahem látek bílkovinné povahy. Po aplikaci čistírenských kalů do půdy je tak organický dusík poměrně rychle mineralizován mikroorganismy. U dusíku v organických vazbách čistírenských kalů je uváděn poločas rozpadu jeden rok (Hall, 1984).

Čistírenské kaly jsou také výrazným zdrojem uhlíku a organické hmoty. Obsah organických látek je 33 – 57 %, což je dvakrát až třikrát více než v chlévském hnoji. Organické látky čistírenských kalů však vykazují nižší stabilitu v porovnání s chlévským hnojem (Saviozzi et al., 1999).

S ohledem na obsah dusíku a uhlíku v čistírenských kalech je důležitá stabilita organických látek kalu a procesy rozkladu nebo stabilizace po jejich aplikaci na zemědělskou půdu. Při porovnání s hnojem je v čistírenských kalech užší poměr C/N. Poměr C/N nižší než 20 přiměřeně odráží stupeň stability komponentů organické hmoty (Levi-Minizei et al., 1986). Saviozzi et al. (1999) uvádějí u čistírenských kalů poměr 4,7, u hnoje 8,4. U čistírenských kalů byl ale stanoven nižší obsah uhlíku v huminových kyselinách a nižší stupeň humifikace v porovnání s hnojem. To vysvětluje rychlejší rozklad organických látek čistírenských kalů v půdě po jejich aplikaci v porovnání s hnojem.

Živiny z čistírenských kalů jsou tak rostlinám rychleji přístupné. Přesto organická hmota čistírenských kalů představuje stabilnější komponenty ve srovnání s rostlinnými zbytky, které se používají pro doplnění organických látek (sláma, zelené hnojení aj.) (Barzegar et al., 2002). Z mnoha prací dále vyplývá kladný vliv aplikace čistírenských kalů na fyzikální a chemické vlastnosti půd (vyšší vododržnost půd, vyšší retenční kapacitu, zvýšení agregace půd, zvýšení aerace, vyšší propustnost a infiltrace, snížení tvorby půdního škraloupu. Antoline et al. (2005) uvádějí, že aplikace čistírenských kalů snižuje pH půdy, zvyšuje obsah rozpustných solí, organického uhlíku v půdách a zvyšuje sorpční schopnost půd. Po aplikaci čistírenských kalů byly stanoveny vyšší obsahy extrahovatelných makroprvků i mikroprvků (Cu, Zn, Ni, Mn, Fe) (Mendoza et al., 2006). Aplikace čistírenských kalů výrazně ovlivňuje činnost mikroorganismů, rychlost mineralizace (Wong et al., 1998) a z dlouhodobého hlediska také obsah mikrobiální biomasy (Černý et al., 2007). Změny v obsahu dusíku mikrobiální biomasy v ornici po aplikaci čistírenských kalů ve srovnání s ostatními hnojivy jsou prezentovány v grafu 1. Organická hnojiva byla aplikována v říjnu a půdní vzorky byly odebírány jeden rok po aplikaci, tj. v září následujícího roku.

Mnoho studií také uvádí příznivý vliv aplikace čistírenských kalů na výnos plodin (Logan et al., 1997; Barzegar et al., 2002; Bozkurt et Yarilgac, 2003; Antolín et al., 2005; Hussein, 2009). Vyšších výnosů bylo především dosaženo následně po aplikaci kalů k pěstovaným plodinám, nebo při jejich opakované aplikaci. Jednorázové hnojení má většinou krátkodobý a malý vliv na výnos plodin.

Z výsledků dlouhodobých pokusů katedry agroenvironmentální chemie a výživy rostlin je patrný pozitivní vliv aplikace kalů především k obilninám. Výsledky jsou uvedeny v grafu 2. Plodiny jsou pěstovány ve sledu brambory, pšenice, ječmen. Čistírenské kaly a hnůj jsou aplikovány k bramborám ve stejné dávce dusíku odpovídající 330 kg N/ha za celý tříletý cyklus. Výsledky představují hodnocení pokusů za čtyři cykly aplikace, tj za 12 let trvání pokusů.

Příspěvek byl řešen za podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky, projekt č. MSM 6046070901 a Ministerstva zemědělství České republiky, projekt č. QH 91081.

Použitá literatura je k dispozici u autorů.

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost

Co bude s bioplynkami po ukončení doby podpory?