Čistírenské kaly - prokleté nebo životodárné?

Na tuto otázku neexistuje jednoduchá ani jednoznačná odpověď. Protože ani kaly, které se ukrývají pod jedním katalogovým číslem odpadů, nejsou nikdy totožné. Dovolím si nyní popsat alternativní možnosti, jak lze čistírenské kaly převážně z komunálních ČOV smysluplně, ekologicky optimálně a ekonomicky přijatelně využívat.

Biologická rekultivace

Již pátým rokem probíhá v Karlových Varech pilotní projekt biologické rekultivace jedné bývalé divoké skládky, a to s využitím čistírenských kalů jako prostředku pro biologické oživení jalové zeminy. Cílem bylo odstranění esteticky i ekologicky závadného stavu pozemku, získání pěstební plochy pro intenzívní produkci energetické fytomasy (biomasa rostlinného původu) a zároveň zjištění hranice maximálně možného zlevnění rekultivačních prací. Plocha skládky zčásti původně sloužila jako kalová laguna a poté se na několik let stala odkladištěm hlušiny z nejrůznějších výkopů a stavební suti z okolních staveb. Výsledek této směsice byl zřetelný i na povrchu skládky, kde se nepravidelně střídaly lokality tvořené různými druhy uložených materiálů. To také bylo příčinou pozdějších odlišných provozně-technických vlastností jednotlivých částí rekultivované plochy.

Vlastní rekultivace začala urovnáním velmi nerovného povrchu skládky a sebráním povrchově se vyskytujících kamenů a betonových zlomků. Hned poté bylo započato s biologickou rekultivací. Ta spočívala zejména v rozprostírání kalů a jejich zapravování do horní vrstvy zeminy, tvořené převážně jílovitohlinitou, místy ale také až štěrkopískovou hlušinou. To se ovšem neobešlo bez problémů. Povrch některých částí rekultivovaného pozemku totiž neumožňoval bezproblémové rozprostření kalů a zejména pak jejich zapravení do horní vrstvy hlušiny. Průběžně také bylo nutné z povrchu odstraňovat neustále se objevující kameny a betonové zlomky, které dělaly problémy zejména mechanizaci, používané při homogenizaci vrchní vrstvy postupně se tvořící ornice.

V průběhu rekultivačních prací byly vyzkoušeny snad všechny existující klasické mechanizační prostředky použitelné na rozprostírání kalů, jejich zapravování do půdy a následnou homogenizaci. Žádný ze systémů však nenaplnil zcela moje požadavky. Pro docílení optimální výkonnosti, ekonomiky i kultury práce při rozprostírání kalů byl nakonec navržen a odzkoušen vlastní, zcela nový mechanizační prostředek, který si kaly sám naloží na složišti, převeze na patřičné místo pěstební plochy a poté rozprostře v požadovaném množství na jednotku plochy. A to vše při obsluze pouze jedním jediným pracovníkem.

Přes všechny problémy a potíže, z nichž značnou část jsem si záměrně vytvářel ve snaze zjistit hranice možného, se podařilo vytvořit na ploše skládky dostatečně mocnou vrstvu biologicky aktivní zeminy, mající všechny znaky kvalitní ornice. O kvalitě výsledku svědčí například dosažená výška vzrůstu ověřovaných plodin, které zde byly v loňském roce zkušebně zasety. Byly to dvě odrůdy kukuřice a slunečnice, dále pak konopí seté, laskavec, sléz kadeřavý a šťovík krmný. Například porost konopí setého po dosažení výšky cca 2,3 m už kdosi považoval asi za dostatečný a rozhodl se ho sklidit za nás. A stejně tak i kukuřici, slunečnici a laskavec. Jedná se o plodiny vhodné zejména jako energetická fytomasa pro následné využití k výrobě ekologicky čisté energie, o čemž bude pojednáno dále.

Zároveň některé z těchto rostlin mohou velmi efektivně přispět k dekontaminaci půdy znečistěné některými těžkými kovy. O to větší je v tomto případě ztráta vzniklá v důsledku již zmíněného polního pychu, protože zcizené rostliny, zaseté a sledované Ing. Ivanou Kališovou z VŠCHT v Praze, sloužily nejen k ověření možného objemu produkce fytomasy na rekultivovaném pozemku, ale současně na nich probíhal test jejich fytoremediačních schopností (dekontaminace půdy prováděná pomocí rostlin). Jako vedlejší se mi v této souvislosti jeví fakt, že odcizené rostliny obsahovaly určité množství těžkých kovů, takže jejich jakékoliv použití bylo dost problematické. A kouření "mariánky" z konopí setého, které neobsahuje prakticky žádnou drogu, je asi taky pěkná libůstka.

Nicméně navzdory všem problémům, anebo spíše právě díky nim, byly získány velice zajímavé a cenné zkušenosti a informace o tom, za jakých předpokladů, podmínek a taky nákladů lze realizovat novou alternativní metodu biologické rekultivace skládky nebo jiné antropogenně poškozené plochy. A to nejen jako jednorázovou akci, ale naopak, s výhledem dlouhodobého využívání této plochy pro bohulibou a ekologicky optimální produkci.

Tímto způsobem lze účelně využít kaly pro biologickou rekultivaci antropogenně poškozených ploch a získat tak pěstební plochy pro následnou produkci fytomasy pro energetické, případně jiné technické účely.

Pro zevšeobecnění nabytých poznatků by bylo potřebné získat dostatečně široké a statisticky patřičně podložené znalosti o praktickém fungování principu fytoextrakce (schopnost rostlin přijímat z kontaminované půdy do svých tkání kontaminanty, například těžké kovy) v běžných provozních podmínkách. Potom by bylo možné vytvořit exaktně podloženou metodiku pro ekologicky nezávadné využívání čistírenských kalů, a to hlavně těch, jejichž znečištění zejména těžkými kovy vylučuje jejich použití v tradiční zemědělské výrobě.

Systém Ekotriáda

Nyní bych se vrátil k titulku tohoto článku a představil celý alternativní způsob využívání čistírenských kalů: Kaly - fytomasa - bioplyn - energie. Těmito čtyřmi výrazy, představujícími postupné technologické kroky, je vlastně plně charakterizován systém, na jehož počátku je nevábně vyhlížející, černá mazlavá hmota zvaná čistírenský kal, a na jehož úplném konci by měla být ekologicky čistá elektrická energie a teplo z kogenerační jednotky. Pracovně jsem ho nazval Ekotriáda a celým názvem "Využití stabilizovaných čistírenských kalů pro intenzívní pěstování fytomasy k produkci bioplynu a následné kogenerační výrobě energie, a to zejména na nezemědělských plochách".

Podstata tohoto poněkud složitě definovaného systému je vcelku jednoduchá. Na nezemědělských pozemcích se produkuje fytomasa s využitím stabilizovaných čistírenských kalů jako hnojiva. Sklizená fytomasa se skladuje a případně zakonzervuje nebo jinak upraví a ve vhodnou dobu se přidává do stabilizační nádrže ČOV (což je prakticky bioplynová stanice) ke zvýšení produkce bioplynu. Ten se pak v kogeneračních jednotkách přemění na elektrickou energii a teplo ve formě teplé vody. Jedná se o zcela uzavřený bezodpadový systém, v němž je oběh problémových hmot (kaly i fytomasa) uzavřený, a tudíž snadno a přesně monitorovatelný a kontrolovatelný v kterémkoliv okamžiku. Podstatnou skutečností pro ochranu životního prostředí je to, že kritériem ekologické bezpečnosti při provozování tohoto systému není ani ochrana zemědělského půdního fondu, ani ochrana potravinářské nebo krmivářské produkce, ale (pouze) hledisko zabránění rozšiřování škodlivin vnášených v kalech do okolního prostředí. Kaly proto mohou obsahovat vyšší množství těžkých kovů, než je přípustné pro jejich využívání v zemědělství. Schematický obrázek objasňuje celý systém a ukazuje toky hmot a energií.

Zdánlivě nic nového pod sluncem. Z hlediska ekologického je ovšem podstatné, že vyprodukovaná fytomasa, včetně části těžkých kovů, původně obsažených v kalech, se vrací zpět do stabilizační nádrže v čistírně odpadních vod, která slouží jako plnohodnotná bioplynová stanice. Nejenže se tím ušetří značné investice, jinak nutné na výstavbu bioplynové stanice včetně kompletního plynového hospodářství, ale zároveň se zlepší podmínky pro anaerobní stabilizaci přebytečného kalu, a to díky možnosti regulovaně zvyšovat přídavkem fytomasy obsah sušiny stabilizovaného kalu na optimální úroveň. Z ekonomického hlediska je pro tento systém další podstatnou výhodou celoroční potřeba odpadního tepla z kogenerace pro vytápění stabilizační nádrže a dalších provozů ČOV. Vyrobenou elektřinu lze prodávat do veřejné sítě nebo spotřebovávat v provozu ČOV. Alternativně lze vyprodukovaný bioplyn po vyčištění stlačovat a využívat jako palivo pro spalovací motory případně jiné spotřebiče.

Nyní je na místě uvést, že přidávání fytomasy, konkrétně posečené trávy do anaerobní stabilizační nádrže komunální čistírny odpadních vod, bylo dlouhodobě realizováno v SRN. Po celou dobu patnácti let nedošlo k žádným technologickým problémům ani k nutnosti čistit vyhnívací nádrž. Přitom použitý způsob byl velmi primitivní a tráva byla přidávána v čerstvém stavu, nárazově, podle jejího okamžitého výskytu. Jediným problémem technického charakteru byl občasný výskyt nežádoucích příměsí v travní hmotě. Ověřovací pokus provedený v laboratorních podmínkách VŠCHT v Praze rovněž neprokázal žádné negativní důsledky společného anaerobního zpracovávání přebytečného kalu s přídavkem fytomasy. Lze se tedy důvodně domnívat, že popsaný způsob využívání kalů může poměrně elegantním způsobem dlouhodobě řešit nerudovský problém: Kam s nadlimitně kontaminovanými čistírenskými kaly?

Jaké přínosy lze tedy od uvedeného systému očekávat?

1. Ekologicky přijatelné a ekonomicky výhodné dlouhodobé využívání stabilizovaných kalů z čistíren odpadních vod, případně dalších vhodných biodegradabilních organických odpadů, pro produkci energetické fytomasy.
2. Optimální využití antropogenně zdevastovaných ploch jako jsou ukončené skládky, výsypky a odkaliště, dále všech nadlimitně znečištěných zemědělských půd a přebytečné méně bonitní zemědělské půdy včetně ploch povrchově znečištěných těžkými kovy, ropnými látkami a některými dalšími škodlivinami, a to opět pro pěstování energetické fytomasy.
3. Zvýšenou produkci ekologicky čisté energie z plně obnovitelného zdroje bez závislosti na zahraničním dovozu, s možností jejího variabilního využití podle místních a časových podmínek nebo potřeb.
4. Sanaci povrchově znečištěných ploch od některých druhů škodlivin, zejména těžkých kovů nebo ropných látek.

Širší uplatnění systému ekotriády v praxi by kromě jiného významně napomohlo plnění závazku České republiky na rozšíření výroby energie z obnovitelných zdrojů - konkrétně z biomasy. A pokud by ještě došlo k podpoře tohoto závazku formou přesunu stávajících kontraproduktivních dotací Ministerstva zemědělství za nicnedělání na zemědělské půdě na dotace podporující produkci cíleně pěstované fytomasy, mohl by to být i pro zemědělce ten správný signál k změně jejich pohledu na sortiment pěstovaných komodit. A velký potenciál by tento systém mohl mít zejména v menších sídlech, kde se teprve budují nebo rekonstruují malé čistírny odpadních vod. Jejich výstavba i provoz by při promyšleném spojení ČOV s výrobou bioplynu z biomasy vykazovaly zcela jiné ekonomické parametry. A že malé bioplynové stanice mohou úspěšně existovat, o tom nás přesvědčují příklady z Rakouska, Německa a dalších států.

Nyní bych snad mohl poodhalit tajemství názvu Ekotriáda. Systém představuje ekologicko-energeticko-ekonomické řešení několika závažných problémů současně. Protože jsou tyto oblasti v podstatě tři, proto je to triáda, a protože dvě z nich začínají na eko, pak uplatněním demokratického principu většiny z toho vyšla ekotriáda.

Systém ekotriáda je chráněn patentovou přihláškou autora tohoto článku, který rád poskytne další informace a bude spolupracovat na konkrétní realizaci s případným vážným zájemcem o tento systém.

Čistírenské kaly - mýty a skutečnost

V naší republice se produkuje velké množství čistírenských kalů, z nichž značná část, ne-li přímo většina z nich, obsahuje nadlimitní množství některého polutantu. Tím je podle současné legislativy (zákon č. 185/01 Sb. o odpadech a vyhláška MŽP č. 383/2001 Sb. o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě) značně omezen objem kalů přímo použitelných k hnojení na zemědělské půdě, což je z mnoha důvodů jeden z nejrozumnějších způsobů jejich využití. Tím ale logicky vzniká otázka: Co s ostatními kaly?

Občas čítávám o výhodnosti energetického využití čistírenských kalů. Některé články o tom považuji za docela zábavnou četbu. Naposledy to byl článek "Získávání energie při termickém zpracování kalů" uveřejněný v časopisu oboru vodovodů a kanalizací SOVAK č. 4/02, str. 25. Pro jistotu ještě připomenu, že řeč je o čistírenských kalech, tedy v podstatě o špinavé vodě, přičemž je samozřejmě zásadní otázkou, jakou má tato sušinu. Standardní technologie ČOV s koncovým stupněm zpracování přebytečného kalu v anaerobní stabilizační nádrži má většinou 4 až 6 %ní sušinu, v ideálním případě 8 %, což je pořád trochu hustší špinavá voda. Jako zdroj energie by možná skutečně mohla sloužit, ale teprve až jaderní fyzici zvládnou praktické využití termojaderné fúze. Ale ani to ještě není tak jisté. Takže půjdeme dál. Na pásovém lisu lze docílit asi 22 % sušinu, případně na dekantační odstředivce až 35 %. V tomto stavu jsou kaly již poměrně tuhé, asi jako tvaroh, leč pořád obsahují z větší části (65 až 78 %) vodu. Provedeme-li výpočet spalného tepla (nebo výhřevnosti) takového kalu z prvkového složení, zjistíme silně zápornou hodnotu. Abychom z takového kalu získali matérii, která bude mít aspoň trochu snahu hořet, budeme muset dodat ještě hodně a hodně energie. A ta se nám ani zdaleka při následujícím spalování nevrátí. Takže kaly jako palivo nebrat. Snad jen ze zoufalství, když už není skutečně žádná jiná možnost.

Podívejme se na spalování kalů ještě z jiného pohledu. Kaly z pohledu palivářského obsahují balastní, leč přírodě neškodící vodu. Dále pak spalitelný podíl, což v podstatě není nic jiného než organický podíl, který je pro přírodu - konkrétně pro výživu rostlin - přímo Božím požehnáním. A nakonec popeloviny, jinak zvaný anorganický, nespalitelný podíl, který v sobě kumuluje veškeré těžké kovy a jiné fujtajbly. Podíváme-li se na spalovací bilanci, pak spálením kalů docílíme toho, že za nekřesťansky drahý peníz vypudíme neškodnou vodu do oblak a spálíme organiku, tedy to jediné, co by mohlo přírodě pomoci. Zbude jen anorganický zbytek, v němž zůstane zkoncentrováno všechno neřádstvo, pokud ho ovšem i s popílkem komínem nerozprášíme do okolí. Trochu hloupé, nezdá se vám?

Velice diskutovaným problémem kalů je jejich zdravotní nebezpečnost. Abych byl konkrétnější, jedná se hlavně o infekčnost. Nechci jakkoliv snižovat toto potenciální nebezpečí, ale něco mi v této souvislosti silně nehraje. Kaly z komunálních čistíren tvoří z velké části biotechnologicky zpracované lidské exkrementy. A zákonitě obsahují větší či menší množství nejrůznějších mikroorganizmů, z toho i některé pro člověka potenciálně nebezpečné. Logicky z toho vyplývá nutnost maximální opatrnosti při nakládání s kaly a některá zákonná omezení pro jejich využívání. Tady ale veškerá logika, nebo chcete-li, zdravý selský rozum, končí. Existuje totiž zcela srovnatelný materiál, tedy exkrementy, i když v tomto případě zvířecí. Tyto pod názvem hnůj, močůvka a podobně obsahují většinou ještě mnohem více nebezpečných patogenů než kaly, ale o jejich potenciální nebezpečnosti se při jejich prakticky shodném využívání (jako hnojivo) vůbec nemluví. Takže se nemůže neobjevit následující otázka: Je hlavním důvodem pro honbu na kaly (z některých míst se mi jeví až jako hysterická) skutečně jejich potenciální nebezpečnost? A pokud ano, proč se stejně důsledná snaha příslušných orgánů o ochranu lidstva neděje také při nakládání s nebezpečným hnojem a močůvkou?

Čistírenské kaly často obsahují těžké kovy, které ztěžují jejich využitelnost. Současně existují v České republice zemědělské pozemky, jejichž orniční vrstva obsahuje nadlimitní množství těžkých kovů (vztaženo k limitům Zákona o ochraně zemědělského půdního fondu č. 334/92 Sb.). Přitom toto nadlimitní znečištění zemědělské půdy (někdy až desetinásobné) neznamená žádné omezení zemědělské činnosti na těchto pozemcích. I zde se opět přímo vnucují mnohé otázky, které si snadno položí každý z vás. Ta zásadní pak zní: Jaký praktický význam tedy tyto limity vlastně mají, když jejich nesplnění nemá vůbec žádný konkrétní důsledek?

Závěrečná skromná doporučení

Řešení problematiky čistírenských kalů by za určitých okolností mohlo trochu paradoxně přispět k rozvoji produkce a využívání biomasy. V kontextu s uvedenými skutečnostmi se domnívám, že by bylo vhodné:

• zavést novou podkategorii pozemků - technickou produkční půdu; do ní převést nadlimitně znečištěnou zemědělskou půdu, méněhodnotnou dlouhodobě přebytečnou zemědělskou půdu a ostatní plochy pro pěstování energetické a technické fytomasy a stanovit pro ně odpovídající limity těžkých kovů s ohledem na zabránění možného rozšiřování těchto škodlivin do okolí,
• zrušit kontraproduktivní dotace MZe a jejich objem využít na podporu rozvoje produkce a využití fytomasy pro energetické účely,
• porovnat skutečnou nebezpečnost kalů a hnoje z titulu jejich infekčnosti a uvést v soulad podmínky v nakládání s nimi a zabránit tak možnému neopodstatněnému plýtvání finančními prostředky,
• podpořit širší projekt mapující fungování fytoextrakce v praxi a prověřit možnosti využití fytoremediace pro čištění půdy v širším měřítku.

Poznatky ze zahraničí (CZ BIOM): V USA i ve Švédsku se problematikou rozvoje využívání biomasy pro výrobu energie zabývají ministerstva energetiky a životního prostředí. Dotace jsou poskytovány (prakticky pouze) podnikatelským subjektům. Obávám se, že právě toto jsou hlavní důvody, proč jsou tak rozdílné výsledky v produkci a využívání biomasy v uvedených zemích a u nás. Vezmeme si z toho ponaučení?

Článek byl napsán pro časopis ODPADY.

Příspěvek pro seminář "BIOODPAD 2002 - biologické metody využívání zemědělských odpadů"

Obr.2: Nakládka kalu
Obr. 3: Slunečnice
Obr.4: Schéma reaktoru pro výrobu bioplynu určeného pro zemědělství
Obr.5: Schéma reaktoru pro výrobu bioplynu určeného pro zemědělství

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu