Bezpečné využití komunálních odpadních vod a čistírenských kalů k závlaze a hnojení plantáží rychle rostoucích dřevin

Uvážíme-li současné ceny dřeva v Evropě, nenabízí konvenční výroba dřevní štěpky z rychle rostoucích dřevin (RRD) nijak příznivé ekonomické podmínky. Vyšší rentability provozu výmladkových plantáží je možno dosáhnout využitím přebytků z místních zdrojů ve formě odpadních vod a kalů z městských čistíren odpadních vod (ČOV), které mohou být na plantáže RRD aplikovány pro hnojení a závlahu, čímž se sníží náklady a navíc se přidají možnosti dalších zisků díky biologické úpravě. Využitím odpadních vod a kalů se dosáhne zvýšení růstu biomasy RRD, recyklace živin a redukce znečištění upravených vod. Provozovatelé též mohou očekávat podporu místních orgánů či společností zodpovědných za čištění odpadních vod a zpracování kalů.

Aplikace odpadních vod a kalů v porostech RRD může kromě řady ekonomických a environmentálních výhod přinést i mnoho problému, pokud není prováděna správně. Tento článek se bude zabývat současnými otázkami a postupy, které se týkají bezpečného užití odpadních vod a kalů v porostech RRD z ekologického a hygienického hlediska. Klíčovými investory a partnery procesu aplikace odpadních vod a kalů z ČOV na porosty RRD jsou především místní orgány a instituce či soukromé firmy, zodpovědné za čištění odpadních vod a zpracování kalů. Největších úspěchů je dosaženo, pokud funguje spolupráce mezi všemi zainteresovanými partnery.

Všeobecná doporučení

Vrbové a topolové plantáže jsou všeobecně pokládány za vhodné k zužitkování odpadních vod a kalů. Vrby a topoly mají vysoké nároky na vodu a vysoký stupeň evapotranspirace, mělký kořenový systém s dobrou schopností překonat anaerobní podmínky (zejména vrby) a dobrou schopnost absorpce těžkých kovů (zejména kadmium).

RRD jako nepotravinářské a nekrmivářské plodiny nepředstavují riziko pro přenos těžkých kovů do potravního řetězce a proto je nebezpečí, týkající se poškození lidského zdraví těžkými kovy, minimalizováno. Navíc bylo dokázáno, že zejména vrby dokáží vyzdvihnout podstatné množství těžkých kovů z půdy. Proto množství Cd, které se do půdy dostane společně s kovy, je ve velké míře odstraněno při růstu vrb. Nejsou též zaznamenány problémy se zápachem či hygienou díky předběžné úpravě kalů a odpadních vod.

Hnojení odpadními vodami a aplikace kalů v porostech RRD může být cenově výhodné a environmentálně pozitivní řešení:

• ke zvýšené produkci biomasy na chudých půdách a tím i ke zvýšení zisku pro zemědělce
• ke snížení energetického požadavku k úpravě N, P a organických látek a tím snižování nákladů na celý čistírenský proces
• k recyklaci živin komunálních odpadních vod a splaškových kalů společně s pozitivním vlivem na životní prostředí (méně škodlivin vypouštěných do vodního systému)
• k zavlažování výmladkových plantáží (zejména v místech s nedostatečnými vodními zdroji a srážkami)
• k odstranění těžkých kovů z potravního řetězce (zejména pokud jsou těžké kovy absorbovány RRD a následně při spalování štěpky odstraněny z popela)

Trvale udržitelného provozu při použití zbytkových produktů na výmladkových plantážích RRD je možné dosáhnout jen v tom případě, pokud je bezpečný z hygienického hlediska i vůči životnímu prostředí (ŽP). Proto musí provozovatel před a po založení porostu učinit řadu opatření, která zabrání ohrožení ŽP. Z bezpečnostních důvodů je doporučováno užití pouze předupravených odpadních vod a kalů. Speciální požadavky na předběžnou úpravu jsou většinou nastaveny místními orgány, v opačném případě by se měly brát v úvahu směrnice EU a zásady správného hospodaření na zemědělských půdách.

Aplikace čistírenských kalů

Čistírenský kal vzniká při čištění odpadních vod a stoupající počet nových systémů čištění a modernizace stávajících ČOV vede k nutnosti zacházet s odpadními kaly postupy šetrnými k ŽP. Jelikož odpadní kaly obsahují značné množství pro rostliny výživných látek, jejich využití jako hnojiv v zemědělství je metodou, která podporuje recyklaci živin z komunálních odpadních vod a kalů.

Složení kalů

Protože vznik odpadního kalu je výsledkem rozličných procesů, prováděných při čištění odpadních vod (sedimentace, aktivace kalů), jeho kvalita je silně závislá na zpracovávané odpadní vodě a na celkovém procesu čištění. Jeho vhodnost použití na plantážích RRD je též ovlivněna zpracovatelskými postupy, zahrnujícími biologické, chemické a termální procesy (kompostování, vápnění, odvodnění). Předzpracovaný odpadní kal obsahuje velké množství P, který může být recyklován v zemědělství, určité množství N (většinou organicky vázaného), ale velmi málo K. Díky deficitu N a K není čistírenský kal vyváženým hnojivem, proto je potřeba užití dalších hnojiv k dosažení doporučného množství těchto prvků v půdě. Množství prvků v kalech, užívaných v experimentálních projektech je prezentováno v následující tabulce.

Tabulka č. 1: Koncentrace prvků v čistírenských kalech (příklady kalů, užívaných v rámci experimentů projektu BIOPROS [mg/kg_suš.]

Kromě užitečných prvků obsahují čistírenské kaly také množství těžkých kovů a jiných nechtěných látek, jako jsou organické škodliviny. Těžké kovy mohou pocházet z domácích zdrojů (vypouštěny z domácností, z korozí rozkládajících se hmot, ze saponátů) a veřejných zdrojů (průmysl, zubní a zdravotní péče) či z městských kanalizací. Obecně je kvalita kalů ze zavedených ČOV dobrá a množství těžkých kovů je v normě doporučených limitů. Proto jsou kaly z ČOV vhodné pro aplikaci na plantáže RRD. Kovy však nesmí být opomíjeny, protože v některých případech mohou být překážkou pro trvalou udržitelnost. Čistírny odpadních vod s výstupy externě použitelných kalů obvykle poskytují certifikát kvality a kvantity, který zajišťuje bezpečné užití kalů na zemědělských půdách.

Před aplikací čistírenských kalů na stanoviště RRD se musí postupovat shodně se stávající legislativou, která se většinou týká:

• kvality aplikovaných kalů (např. koncentrace nebezpečných látek)
• kvantity aplikovaných kalů (např. max. množství nebezpečných látek dodávaných na pole)
• kvality půdy po aplikaci kalů

Hlavní aspekty při aplikaci kalů

• ČOV, které doručují čistírenské kaly na plantáže RRD, by měly být zodpovědné za kvalitu dodávaného materiálu. Existuje mnoho nařízení týkajících se kvality kalů aplikovaných na zemědělskou půdu. Kupříkladu těžké kovy (obvykle Cd, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn) jsou regulovány.
• Doporučení EU, např. Směrnice 86/278/EEC, týkající se ochrany ŽP při aplikaci čistírenských kalů v zemědělství, jsou podrobněji specifikovány ve státních regulačních normách. Nicméně zodpovědnost za vhodnou kvalitu kalů má vždy dodavatel a zemědělci by se měli ujistit u ČOV o správném složení a bezpečnosti kalů.
• Zemědělci musí při aplikaci respektovat legislativní limity na množství aplikovaných kalů, založené na obsahu P, N, těžkých kovů a ostatních škodlivin, proto musí být rozbor analýzy kalů od dodavatelů dostupný zemědělci v předstihu před aplikací.
• Aplikace kalů by měla být zahájena až po propočtech množství vlhkého kalu, který smí být užit v konkrétních případech. Kalkulace je založena na aktuální koncentraci regulovaných (limitovaných) prvků.

Obr. : Aplikace čistírenských kalů na porost rychle rostoucích vrb ve Švédsku (Foto: I. Dimitriou, SLU)
• Za účelem stanovení kvality půdy před a po aplikací kalů by se měla provést analýza vrchní části půdy, týkající se obsahu těžkých kovů a živin (např. P, N a K). Hodnocení před samotnou operací určí množství P, které může být aplikováno na pole, protože se nařízení liší dle různých půdních složení.
• V předstihu by též měla být řešena otázka samotného způsobu aplikace. Kaly mohou být na pole zaváděny pomocí stávající zemědělské techniky, např. strojem na rozmetání hnojiv. Hnojení kalem by se mělo provádět každý rok, ale díky rychlému růstu dřevin je to technicky možné jen po každé sklizni. Doplňkové hnojení běžnými hnojivy s N a K může být nezbytné kvůli vyrovnání obsahu živin, potřebných pro maximální růst. Množství aplikovaných hnojiv by se mělo posoudit dle obsahu N a K v kalu.

Závlaha a hnojení odpadními vodami

Zavlažování porostů RRD odpadní vodou je pro zemědělce náhražkou při nedostatku vody a znamená též nižší náklady na hnojení a neposlední řadě další zdroj příjmů od ČOV. Plantáže RRD snižují znečištění okolních vod (díky absorpci nadbytečných živin) a půd (díky absorpci těžkých kovů). Nicméně pro úspěšné užití RRD k energetické produkci a čištění vod tento postup vyžaduje opatrné zavádění a řádnou kontrolu. Úprava odpadních vod v porostech RRD bude bezpečná a ekonomicky perspektivní, pokud budou zohledňovány následující aspekty.

Hlavní aspekty při závlaze odpadní vodou

• Souhlas místních orgánů: Jednání s místními orgány je rozhodující pro získání povolení k hnojení a zavlažování odpadní vodou, k dohodě kdo a jak bude provádět kontrolu vlivu na ŽP a k diskuzi o ekonomické stránce, jako je například dělení nákladů. Je logické, že zodpovědnost v této otázce leží na ČOV a zemědělcích. Například ČOV mohou vést diskuzi s příslušnými orgány a nést zodpovědnost za shromažďování kontrolních dat z pole. Zemědělec může provádět kontrolu a získávat půdní vzorky. Vhodná půda: Výběr stanoviště je klíčový, pokud bereme v úvahu vhodnost pro použití odpadních vod. Je třeba vyhnout se půdám citlivým na vylučování N, například ve svahu či s vysokou hladinou podzemní vody. Také blízkost ke zdroji odpadních vod je nezbytná ke snížení nákladů na dopravu. Pokud je vhodný pozemek dobře dostupný, další otázkou je velikost území, na kterém se budou RRD s užitím odpadních vod pěstovat. To záleží na místních půdních vlastnostech, vybraných výsadbových druzích a na parametrech odpadní vody.
• Náležitosti odpadních vod: Na teplých a suchých územích musí být během vegetačního období zaručeno dostatečné zásobování odpadní vodou. Přímá aplikace neupravené komunální vody není v žádném případě doporučována, jelikož obsahuje velké množství nežádoucích rozpuštěných i nerozpuštěných látek. Pro další úpravu či stabilizaci existují podobné postupy jako při obvyklé úpravě, ale liší se v otázkách kvality. Předúprava vody k zavlažování RRD směřuje k omezování nepříznivých složek a vlastností při pěstování (vysoká biochemická spotřeba kyslíku, těžké kovy, organické polutanty, rozptýlené pevné částice a patogeny), za současného ponechání živin v půdě. Překážky vznikají z toho, že během předběžné úpravy, která spočívá v biologicko-chemicko-fyzikálních reakcích, dochází nejen ke snižování škodlivin, ale též ke ztrátě rostlinám dostupných živin (zejména N). Pokud je přístupná jen neupravená odpadní voda, je vhodné využít nízkonákladové postupy, jako jsou například stabilizační vodní nádrže, vyhnívací nádrže a provzdušňované pískové filtry k udržení ekonomické stability celého systému. Vybraná technologie bude ovlivněna kvantitou odpadních vod, které potřebují úpravu.
• Bezpečné množství odpadních vod z hlediska ŽP: Pro správnou aplikaci odpadních vod na plantážích RRD včetně vhodných zavlažovacích dávek je nezbytné brát v úvahu vzájemné působení místního klimatu, půdy, stáří RRD a odpadní vody. V potaz musí být též brána existující legislativa, zohledňující obecné užívání odpadních vod, maximální hnojící dávky, kvalita podzemních vod, pitná voda a úprava kvality vodních útvarů (např. rybníků, řek, pramenů). Zákonná omezení (biochemická spotřeba kyslíku, N a P) jsou legislativně upravena a musí být projednávána místními orgány. V místech, kde legislativa přímo neurčuje povolené množství aplikované odpadní vody pro zavlažování, musí být zohledňovány místní podmínky a vztahy mezi nimi za účelem správné aplikační dávky. Jednoduchý prostředek k odhadu maxima zavlažovací dávky je na následující tabulce.

Konkrétní kroky pro modelový výpočet:

1. Nalézt vhodné hodnoty pro plánovanou plantáž dle parametrů X1, X2, X3, X4, X5, X15
2. Z ČOV zjistit parametry X8 a X17
3. Odhadnout, zda jsou tyto předpoklady vhodné pro stávající situaci
4. Vypočítat parametry X6, X10, X11, X12, X13, X14, X16, X18

Tabulka č. 2: Pomůcka k odhadu maximální zavlažovací dávky a výsledná NO₃-N koncentrace ve výstupní vodě [Zdroj: SLU, EAU]

¹ Plodiny jako obiloviny, kukuřice a ostatní podobné plodiny - střední intenzita. Plodiny jako brambory, zelenina, řepka olejka a ostatní podobné plodiny - vysoká intenzita.
² Zvýšená evaporační hodnota z plantáže v % je odhadována na 35 %.
³ Koncentrace vyplaveného N jako výsledek aktuálního vyplavování v průběhu celého roku.
⁴ Odhaduje se, že se vyplaví 10 % N, pokud množství N dodaného závlahou je menší než 200 kg/ha za rok a 20 % N, pokud množství dusíku přesáhne 200 kg/ha za rok.
⁵ Vyplavený NO₃-N odpovídá 90 % celkově vyplaveného N z plantáže.
⁶ Odběr P při sklizni kmenů je 8 kg/ha za rok.
⁷ 1 kg P se vyplaví, pokud má plantáž udržitelné zavlažování odpadní vodou.

• Výběr zavlažovacího systému: Vybraný zavlažovací systém by měl minimalizovat nebezpečí z hlediska hygieny a měl by být zaměřen na bodovou závlahu i závlahu celého pozemku. Způsob zavlažování blízko k povrchu snižuje hrozbu šíření chorob. Vyspělé metody zavlažování jsou obecně mnohem dražší. Pro snadnější rozhodování může posloužit následující tabulka. Kapková závlaha se ukázala jako efektivní, avšak vysoká cena a nebezpečí ucpávání nesmí být opomíjeno. Ostatní systémy se ukázaly jako vhodné pro irigaci porostů RRD.

Tabulka č. 3: Výhody a nevýhody zavlažovacích systémů

• Provoz zavlažovacího systému: Zavlažování odpadní vodou musí začít v době začátku růstu RRD a skončit krátce před koncem vegetačního období. Závlaha musí být zahájena jeden rok po založení, kdy dřeviny již založily kořenový systém a vymílání je zanedbatelné. Měla by být prováděna denně kromě období prudkých dešťů, aby se zabránilo vyplavování živin či odpadních vod. Může se tak činit manuálně, nebo díky automatické kontrole srážek. Abychom se vyhnuli přetížení systému a zamokření a dosáhli rovnoměrného zalití, závlaha by se měla přesouvat na rozdílné části plantáže. Pro snížení nákladů na pracovní sílu by tento proces měl pracovat automaticky.
• Kontrola: Pravidelně by měla probíhat jednoduchá kontrola, která by odhadovala účinky hnojení odpadními vodami na životní prostředí v porostech RRD. Měla by brát v úvahu místní legislativu týkající se ochrany půd a vod v zemědělství, stejně tak jako dopad odpadních vod na půdu, podzemní vody a blízké vodní toky. V podstatě to znamená pravidelný odběr vzorků pro chemickou analýzu během závlahového období, který nám dá představu o prosakování N a P při závlaze plantáže a umožní korekci zavlažovacích dávek v případě vysoké koncentrace prvků v podzemní vodě.

Obr. 1: Příklady závlahových systémů plantáží při použití odpadních vod. [Foto: I. Dimitriou, SLU]

Obr. 2: Příklady závlahových systémů plantáží při použití odpadních vod. [Foto: I. Dimitriou, SLU]

Obr. 3: Příklady závlahových systémů plantáží při použití odpadních vod. [Foto: C. Johston, RGL]

Obr. 4: Příklady závlahových systémů plantáží při použití odpadních vod. [Foto: D. Rosenquist, Laqua Treatment AB]
• Náhradní možnosti v případě poruchy: Jelikož přísun odpadní vody je během roku kolísavý, instalace náhradních systémů zajistí provozní bezpečnost plantáží zavlažovaných odpadní vodou. Pokud se nezavlažuje v plantáží zejména v období sucha, může dojít k poškození porostu. Jako nejlepší řešení se jeví vybudování zásobní nádrže. Během plánování se mohou navrhnout i více nákladné efektivní řešení, jako jsou ochranné zóny z jiných nepotravinářských plodin kolem plantáže či dostupnost vodních cisteren v blízkosti plantáže.

Článek byl uveřejněn v rámci projektu BIOPROS.

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky