Souhrn

Biouhel (biochare) má mnohostranné využití v oboru technologie vody, a to nejen jako součást technologického řešení čištění a úpravy vod, ale i jako materiál vyráběný z odpadních produktů této technologie. V článku se zamýšlíme nad perspektivou této aplikace a nad možností a potřebou jejího výzkumu.

Úvod

V článku se pokoušíme shrnout poznatky o „biouhlu“ (biochare) z hlediska jeho využití v technologii čištění odpadních vod. Protože jde ve velké většině o nadšené informace výrobců tohoto materiálu, nebo o dílčí výzkum formou diplomových a doktorandských prací, u kterých je také důležitý pozitivní výsledek, je třeba být trochu skeptický.

Dosud získané poznatky jsou nicméně velmi pozitivní. Protože článek není výsledkem vlastního výzkumu, není jeho součástí metodika ale pouze souhrn informací s kritickým rozborem, co je třeba ověřit a kde jsou případná slabá místa použití tohoto materiálu.

Metodika

Jak je uvedeno v úvodu, metodický postup byl pouze ve zpracování rešerše z publikovaných informací o biouhlu, jejíž přehled je uveden v literatuře článku.

Výsledky a diskuse

Biochare (česky tedy biouhel) je zuhelněná biomasa, která vznikla termickou přeměnou (nízkoteplotní pyrolýza, karbonizace), nikoli spalováním z organických hmot. V podstatě jde o obdobu dřevného nebo aktivního uhlí, ale vyrobeného ze zbytkové a odpadní biomasy. Základní složkou je chemicky stabilní uhlík, který nepodléhá dalšímu rozkladu ani oxidaci. Tento materiál má použití ovšem všestrannější než obyčejné aktivní uhlí. Důležité, z hlediska technologie vody a obecně ochrany životního prostředí, je především to, že zdrojem jeho výroby může a musí být odpadní biomasa, jejíž využití se tím stává mnohem lépe dostupné a potřebné.

V našem případě jde o to najít a ověřit možnosti využití biocharu v oblasti technologie vody a odpadů, a to nejen jako zdroje (technologie přeměny bioodpadů na biochar), ale i jako součást technologie úpravy vody, čištění a stabilizace odpadních vod a kalů a likvidace odpadů.

Z předností možností využití biouhlu se nabízí v prvé řadě jeho vlastnost základní – dobrá koexistence s přírodním prostředím. Ukládáním tohoto materiálu do půdy se zásadně zlepšuje její kvalita [1–3]. Uhlík v něm obsažený váže živiny a další důležité látky (dusík, fosfor, draslík), které se následkem toho z půdy nevyplavují. Má velkou retenční schopnost, takže zadržuje v půdě i vodu. Ukládání biocharu do půdy má ale i další globální přínos: dochází k odebírání CO2 z atmosféry. Samozřejmě tato tvrzení nejsou tak úplně pravdivá, existují ale zdroje, které je potvrzují [4–11]. V minulosti se samozřejmě využívalo zuhelňené biomasy popela k hnojení půdy. Klasické je „ždáření“ lesa používané i nyní v tropických lesích Jižní Ameriky, Afriky a Asie, což ovšem není zrovna doporučovaný způsob polního hospodářství. V minulosti jako zahájení kultivace polí bylo „žďáření“ i v českých zemích běžným postupem.

Možné použití biouhlu v technologii vody

Pokud jde o využití v oblasti čištění odpadních vod, je důležitá možnost výroby biouhlu z kalů vzniklých při této činnosti. Pokud by bylo možné používat je po této úpravě s výhodou v zemědělství, odpadly by stávající problémy s likvidací kalu a navíc by se stala jeho produkce na ČOV opět přitažlivá pro sektor zemědělství, jak tomu bylo v minulosti před zpřísněním předpisů o ochraně zemědělské půdy. S tím souvisí i možnost (při bezprostředním zpracování přebytečného kalu z ČOV na biochar) využití naakumulovaného fosforu v kalu (v případě použití technologie biologické eliminace fosforu na ČOV) v zemědělství, což nyní není možné bez chemického srážení fosforu (a tedy tvorby pro rostliny hůře dostupných sloučenin fosforu) [1–3, 11].

Další možností využití biocharu je dekontaminace při sanaci tzv. starých zátěží. Půdní přídavek pro sanaci půd (s využitím především na bývalých dolech, skládkách a v bývalých vojenských prostorech) je samozřejmě vhodný. Opět jde o lepší (a přírodě bližší) možnost likvidace kalů z ČOV, než je spalování a skládkování či kompostování popela.

Ve velkém je možné využít biouhel (opět i vyrobený z čistírenských kalů) [11, 12] k budování ochranných bariér, zabraňujících vyplavování pesticidů do povrchových vod, kdy okraje polí (kontaminovaných použitím pesticidů) a nebo vodních toků a nádrží v jejich sousedství mohou být vybaveny 30–50 cm hlubokou bariérou, vytvořenou z biouhlu pro odfiltrování pesticidů.

Voda v přírodních nádržích může být díky tomu, že biouhel dobře adsorbuje pesticidy a hnojiva a také zlepšuje okysličování vody, ošetřena dávkováním biouhlu (opět z kalů v ČOV) s výsledkem sorpce znečišťujících látek nevratně do sedimentů na dně rybníků a nádrží. To se samozřejmě týká i přírodních nádrží určených ke koupání.

Přímo na ČOV je možné biouhel používat jednak jako substrát a katalyzátor procesu výroby bioplynu přidáváním jako příměs biomasy ve fermentaci (vyhnívání), samozřejmě nejen na ČOV, ale i na bioplynových stanicích. Podle výsledků specializovaných výzkumů [12, 13] to zvyšuje účinnost procesu výroby bioplynu a také stabilitu vzniklých kalů.

Podle výsledků se přidáváním biouhlu do fermentované heterogenní biomasy zvyšují výnosy metanu, přičemž se zároveň snižuje množství CO2 a amoniaku v získaném bioplynu. Mimo to přídavkem biocharu do fugátu při procesu výroby bioplynu dochází k lepší fixaci nutrientů na vzniklý kal, a tím se snižuje tvorba emisí.

Využití biouhlu ve vlastní technologické lince čištění a hlavně dočišťování odpadních vod je nasnadě. Poměrně dobře ověřený postup využití přídatných filtrů s náplní z aktivního uhlí je možné a vzhledem k výhodám dostupnosti materiálu i vhodné aplikovat s koncovkou, kdy náplní filtrů bude biochare. Efekt tohoto postupu dočišťování odpadních vod se dá považovat za ověřený a jde i o stabilní a funkční technologii. Z výsledků pokusů [14, 15] srovnávajících filtraci na biouhelných filtrech s filtrací přes aktivní uhlí vyplynulo, že efekt je srovnatelný, zatímco na filtrech s biouhlem se lépe eliminoval fosfor, na aktivním uhlí dusík, nicméně efekt byl i u druhého nutrientu vysoký.

Využití biouhlu je také možné v náplni tzv. kompostovacích toalet. Tedy řešení přechodného znečištění vody na stavbách, akcích armády, turistických, kulturních a sportovních pořádaných v přírodě a také do autobusů a karavanů.

Vedle čištění odpadních vod se nabízí i použití těchto filtrů jako součásti úpravy vod povrchových a nebo mikropolutanty a jiným (běžnými technologickými postupy úpravy vod) těžko odstranitelným znečištěním na vodu užitkovou nebo pitnou.

Ve velké míře by se mohl tento postup uplatnit především v rozvojových zemích, u nás a v jiných zemích s rozvinutou technologií by tento technologický postup našel uplatnění především u malých lokálních zdrojů a nebo v případě sanací u vod z kontaminovaných studní.

Možné nevýhody použití biouhlu

Je třeba ovšem zdůraznit, že všechny možnosti použití biouhlu v technologii čištění odpadních vod a samozřejmě i zpracování kalů z ČOV na biochar a jeho použití v zemědělství či při sanacích je podmíněno. Existují dvě možné překážky masového využití biouhlu.

V prvé řadě jde o legislativní předpisy upravující podmínky aplikace kalů z ČOV na zemědělskou půdu (což se samozřejmě může, při určitém způsobu výkladu, týkat i sanačních prací, nebo i budování bariér k ochraně vody a půdy). Nová vyhláška o podmínkách využití upravených kalů na zemědělské půdě stanovuje jednoznačné předpisy pro provozovatele zařízení na úpravu kalu [16, 17]. Jsou v ní určeny přísnější limitní hodnoty pro ukazatele znečištění v kalech, pokud jde o indikátory mikrobiologického znečištění ovšem při úpravě pomocí řízeného spalování snadno dosažitelné. Nicméně hlavně je v ní zavedena jednoznačná povinnost zpracovatele porovnat kontaminaci upravovaného materiálu před a po úpravě formou rozboru kontrolních vzorků. To může vést ke zdražení i nyní poměrně finančně náročného postupu řízené tepelné úpravy.

Dalším faktorem je, oproti ostatním postupům úpravy kalů, právě finanční náročnost řízeného spalování na biouhel. Pokud má být zachováno složení výsledné hmoty, což je nezbytné pro aplikace typu sanací a výroby náplně do filtrů, je třeba kontrolovat stav kalu používaného k výrobě biouhlu a v případě kontaminace jej zředit jinými šaržemi tohoto materiálu, nebo kontaminovaný materiál z procesu vyřadit. To nutně zdražuje výrobu biouhlu z kalů z ČOV proti jeho výrobě z jiných biologických materiálů s víceméně konstantním složením.

Obě tyto znevýhodňující podmínky vedou k tomu, že vlastní výzkum použití biouhlu (především jeho výroby z čistírenských kalů) musí být prováděn v silné návaznosti na ekonomická kritéria jeho výroby. Přesněji cílem nemůže být jen nalézt optimální postup výroby biouhlu vedoucí k nejlépe, v daných technologických podmínkách, použitelnému materiálu – tedy k nejvyššímu efektu v technologii či optimálnímu využití při sanacích či aplikaci do půdy, ale také hledání optimalizace nákladů při zpracování tedy i nejlevnějšího možného postupu při výrobě biouhlu s požadovanými vlastnostmi.

To ovšem nebude tak jednoduché. Hlavní překážkou je požadavek stabilní likvidace, či v tomto případě znovu využití kalů, kde může vysoká cena výroby stát v cestě odbytu materiálu, tedy nikoli aplikaci biouhlu jako takového, kde nesporné výhody převažují, ale aplikaci biouhlu vyrobeného z kalů vzniklých na ČOV, kde je nutné před aplikací kontrolovat jeho obsah znečištění (především těžké kovy) více než u jiných odpadních materiálů (například u dřevěných štěpků).

Dá se tedy říci, že výzkum optimalizace vlastností biouhlu vzniklého řízeným spalováním čistírenských kalů je potřebný, ale využití tohoto typu biouhlu ve větším měřítku nelze zatím očekávat. Samozřejmě využití menších šarží biouhlů při filtraci na menších ČOV a u kompostovacích WC nebo při sanaci menších nádrží je možné už nyní a hledání optimální aplikace pro praktické užití je zde na místě bez jakýchkoli omezení. Pokud se podaří optimalizovat cenu výroby, pak bude možné i masové použití biouhlu v zemědělství a při ochraně vody a půdy před kontaminací.

Závěr

Biouhel má v oblasti technologie vody široké možnosti použití. Lze jej používat k sanaci povrchových vod, dočišťování odpadních vod, zlepšování vlastností vyráběného plynu i při úpravě povrchových vod.

Z hlediska technologie jeho nejlepší varianta užívání tedy výroba biouhlu z čistírenských kalů k dalšímu použití na ČOV a obecně v oblasti technologie vody má ovšem meze dané požadavky na kvalitu materiálu k výrobě biouhlu a bude nutné se pokusit najít cestu k optimalizaci nákladů. Nejde jen o nevyrovnanou kvalitu šarží kalů z hlediska koncentrace znečištění, ale i o náklady, které jsou oproti běžnému spalování u řízeného spalování poněkud vyšší.

Ověřování vlastností biouhlu vyrobeného z čistírenských kalů a optimalizace ceny jeho výroby, a to nejen úsporou energie – hledáním co nejnižší teploty spalování pro dosažení optimálních vlastností, ale i optimalizací produktu (kalů z ČOV) s cílem snížit vhodným výběrem či mixováním šarží kalu jeho kontaminaci znečišťujícími látkami, by tedy mělo pokračovat. Přestože výsledky zahraničních měření jsou zdánlivě uzavřené, je třeba ověřit kvalitu biouhlu vyráběného z domácích kalů a především meze jeho užití včetně ekonomického aspektu.

Rozhodující pro využívání biocharu bude možnost jeho výroby z čistírenských kalů, a proto je třeba zaměřit pozornost na tuto část problematiky. Dá se říci, že nejde o ověření vlastností biouhlu, ale o nalezení optimálního postupu jeho výroby z dostupného materiálu – kalů z ČOV, a tím i elegantní způsob jejich masového využití.

Poděkování

Článek byl z podpory Ministerstva životního prostředí na výzkum určený pro Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, v. v. i.