Neověřené technologie pro zpracování čistírenských kalů

Kaly, podobně jako odpady, obsahují škodliviny, které je nutné od životního prostředí důsledně oddělovat. Jedním ze základních kritérií ohledně výběru technologie musí být její schopnost spolehlivě splňovat funkci účinného a spolehlivého filtru na hranici mezi antropogenní sférou a životním prostředím. Technologie pro zpracování čistírenských kalů nesmí umožňovat vnášení škodlivin do životního prostředí.

Jako zástupce provozně dosud neověřených technologií bychom chtěli představit dvě procesně naprosto rozličné technologie. Zatímco technologie tzv. mokré oxidace sestává z procesně náročných kroků, je technologie "výroba biopaliva na bázi čistírenského kalu" procesně triviální záležitostí.

Mokrá oxidace

Použití mokré oxidace pro zpracování kalů vychází z technologie, jakým se zpracovávají některé brizantní odpady. Pro ně byla v poslední době zkoumána a vyvíjena aplikace tzv. nadkritické mokré oxidace (SCWO, Supercritical Water Oxidation - proces je veden při nadkritických podmínkách).

Proces SCWO využívá změněných fyzikálních vlastností vody při nadkritickém stavu. Var látky - v tomto případě vody - může probíhat jen v rozmezí tlaků a teplot trojného a kritického bodu. Křivka varu rovnovážného diagramu daného média končí v tzv. kritickém bodu, jehož parametry jsou pro každou látku zcela určité. Nad parametry kritického bodu je látka ve stavu tekutém. Mění-li se stav látky tak, že prochází během procesu nadkritickými stavy, může se její kapalná fáze měnit v plynnou, aniž projde varem. Kritický bod vody nastává při tlaku 221 bar a teplotě 374 °C.

Fyzikální vlastnosti vody se v nadkritické oblasti výrazně odlišují od fyzikálních vlastností vody při běžných atmosférických podmínkách (značný pokles viskozity, pokles měrné hmoty, pokles dielektrické konstanty).

Tato změna vlastností má za následek vysokou rozpustnost pro organické látky a pro plyny (O₂, N₂, CO₂) a téměř 100% absorpci kyslíku (zatím v určitém technickém měřítku). To vše je možné využít k rozkladu nesnadno odbouratelných odpadů procesem tzv. nadkritické mokré oxidace.

V procesu SCWO dochází k úplnému rozpuštění organických sloučenin v nadkritické vodě, úplnému vysrážení anorganických pevných látek, např. solí. Reakční čas úplného rozkladu se pohybuje mezi 30 a 60 sekundami a silně závisí na reakční teplotě. Reakce probíhá při zhruba 25 MPa a 400-600 °C a dochází při ní k úplné přeměně organického obsahu: např. organický uhlík přechází na oxid uhličitý, organická a anorganická síra na kyselinu sírovou. Dochází také k rozkladu těkavých pevných látek a oxidaci těžkých kovů na nejvyšší oxidační stupeň. Všechny inertní látky jsou separovány jako jemný nevyluhovatelný zbytkový materiál.

Organické škodliviny či organické odpadní látky spolu s kyslíkem rozpuštěným v "nadkritické vodě" tvoří vysoce korozívní prostředí, pro které nebyl dosud nalezen dostatečně odolný materiál tlakových nádob procesního reaktoru.

Další problém představují soli, které jsou ve škodlivinách či v odpadní vodě v rozpuštěném stavu. Tyto soli mohou z "nadkritické vody" krystalizovat a zapříčinit neovladatelné inkrustace zařízení. Jsou to právě problémy koroze a inkrustace, které do současné doby neumožňují využívat proces SCWO v technickém měřítku.

V SRN je další vývoj této technologie - pod jménem SUWOX (Superkritische Wasseroxidation) podporován BMBF (Spolkové ministerstvo pro vzdělávání a výzkum). Smysluplné nasazení technologie SUWOX je možné nalézt v oblasti zpracování toxických a problematických odpadních látek z chemických a farmaceutických provozů.

Praktická použitelnost SUWOX procesu byla zatím prokázána jak modelovými substancemi, tak také reálnými vysoce toxickými odpadními vodami z výroby biocidů, laků a umělých pryskyřic na pokusném zařízení. Dosavadní pokusy ukazují, že destrukce různých látek v nadkritickém prostředí je možná. Obsah škodlivin se pohyboval až pod hranicí prokazatelnosti.

Uživatelé technologie

V USA provozovala společnost Huntsman Corp., Austin, Texas v letech 1994-1999 komerční zařízení SCWO nadkritické mokré oxidace, které sloužilo ke zpracování odpadních vod z petrochemického průmyslu. Tyto odpadní produkty však neobsahovaly žádné korozívní substance nebo soli. Koncept firmy Huntsman nebyl schopen tyto odpadní substance zpracovat. Na trhu se technologii firmy Huntsman v současné době snaží prosazovat firma Chematur Engineering AB, Karlskoga, Švédsko pod obchodním jménem AQUA CRITOX.

V ČOV Toulouse se od roku 1998 provozuje pilotní zařízení pro odstraňování kalů, které bylo několikrát modifikováno. Poslední modifikace má název Athos. Proces je nazýván "mokrá oxidace" a je veden v podkritických podmínkách (teplota 230 - 250 °C, tlak 44 - 53 bar). K oxidaci je používán kyslík.

V roce 2006 mají být v ČOV v severním Bruselu zprovozněny dvě linky systému Athos s předřazenou tepelnou hydrolýzou a mezofilním vyhníváním kalů.

Praktická použitelnost technologie

Při posuzování praktické použitelnosti procesu mokré oxidace pro zpracování čistírenských kalů je vhodné upozornit na následující skutečnosti:

• Sušina kalu obsahuje 30-40 % popeloviny.
• Jako zdroj kyslíku přichází v úvahu peroxid vodíku nebo kyslík (i přes vysokou náročnost výroby kyslíku a jeho provozního tlaku vychází výroba kyslíku cenově pravděpodobně výhodněji).
• Energetické bilance resp. energetická náročnost nejsou známy, resp. nejsou dosud k dispozici údaje z reálného provozu.
• Nejsou k dispozici závazné informace ohledně provozních zkušeností a o skutečně dosaženém ročním fondu provozní doby (viz rámeček).

Je zcela zřejmé, že uvedený výčet některých faktů skrývá řadu dosud neřešených či neznámých problémů (dimenzování konkrétního zařízení, volba materiálů, energetická náročnost, reálné investiční a provozní náklady, povolovací řízení - proces EIA, IPPC atd.). Jedná se o vývojovou, dosud nedostatečně vyzkoušenou technologii.

Výroba biopaliva na bázi čistírenského kalu

Technologie pro zpracování čistírenských kalů nesmí umožňovat vnášení škodlivin do životního prostředí. Pro konečné zpracování kalů je nutné volit takové postupy a technologie, které jednoznačně neumožní ředění či míšení odpadů, resp. rizikových látek. Zákaz ředění či míšení škodlivin je v evropských zemích důsledně uplatňován.

Současný vývoj v České republice bohužel dovoluje vznik technologií, které ignorují zmíněný zákaz ředění. Mezi takové patří výroba biopaliva s obsahem čistírenského kalu, jehož vývojem se zabývají některá pracoviště v ČR.

Biopalivo je produkováno na bázi obnovitelných surovin (sláma, dřevní štěpka, piliny), obohaceno vybranými kaly z čistíren odpadních vod, které jsou přidávány pro zlepšení soudržnosti produktu.

Princip je triviální: kaly se smíchají např. s dřevním odpadem a takto připravená směs (základka) projde fermentačním procesem. Výsledkem je palivo (potažmo biopalivo či alternativní palivo), které je k dispozici pro spalování respektive energetické využívání kalů.

Mezi ověřené technologie patří spalování kalů
(spalovna v Londýně)

V průběhu výroby alternativního paliva dochází při fermentačních procesech k exotermickým reakcím a tedy k určitému nárůstu teploty zakládkové vrstvy biopaliva.

Potencionální výrobci předpokládají vzestup teploty zakládky nad 70 °C po určitou definovanou dobu, což má vést k inaktivaci přítomných virů, bakterií, kvasinek, plísní, prvoků a helmintů. Vyšší teplota má tedy zajistit hygienizaci zakládky. Tu však nelze při trvalém provozu a při všech provozních stavech z jistotou potvrdit.

Naopak zcela nebudou výrobním procesem biopaliva odstraněny vstupující škodliviny obsažené v čistírenských kalech (těžké kovy).

Uvažovaná spalovací zařízení pro využití biopaliva nejsou obvykle vybavena zařízením na standardní čištění spalin. Škodliviny obsažené v biopalivu přecházejí do ovzduší, případně jsou obsaženy v pevných produktech spalování.

Použití biopaliva na bázi čistírenských kalů bez zařazeného standardního systému čištění spalin se dá kvalifikovat jako "ředění škodlivin obsažených v kalech" a případné vydání výrobkového certifikátu tuto skutečnost změnit nemůže.

Legislativa k biopalivům byla původně míněna pro bionaftu, bioplyn - tj. pro použití v dopravě namísto tradičních pohonných hmot. Jako odpadní biomasa pro vytápění byla také původně míněna pouze rostlinná hmota, nikoliv čistírenské kaly. Nicméně se čistírenské kaly dostaly textu vyhlášky č. 482/2005 Sb. (o stanovení druhů, způsobů využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy). Může se tedy stát, že se znečišťování životního prostředí bude finančně podporovat#. Vskutku osvícená strategie udržitelného rozvoje.

Kaly v ČR - shrnutí

Z minulých třech dílů materiálu, věnovaného zpracování čistírenských kalů, vyplývá několik zásadních závěrů:

• Výhledově bude v České republice nutné zpracovat zhruba 300 000 t sušiny čistírenských kalů ročně (více než 1 000 000 t vlhkých čistírenských kalů ročně).
• Skládkování čistírenských kalů není řešením.
• Používání čistírenských kalů v zemědělství není, až na malé regionální výjimky, dlouhodobým vyhovujícím řešením. Určitou možnost či určité částečné řešení problému konečného zpracování kalů lze hledat ve výrobě tzv. substrátů na bázi čistírenských kalů. Takto vyrobená "hnojiva" lze podmíněně použít pro některé speciální účely (rekultivace devastovaných průmyslových lokalit s vyloučením využití k zemědělským účelům).
• Technologie aplikující proces"mokré oxidace" nejsou dostatečně ověřené.
• Používání čistírenských kalů k výrobě "biopaliv" není dlouhodobým vyhovujícím řešením. Vyrobená "biopaliva" není vhodné používat pro energetická zařízení bez komplexního čištění spalin.
• Technologie spoluspalování v cementářských pecích má svá omezení.
• Technologie spoluspalování v elektrárnách se nejeví jako vhodná technologie.

Vzhledem ke kapacitám cementářských pecí, stávajících spaloven odpadu a množství čistírenských kalů je zřejmé, že nasazení jednotlivých vhodných technologií bude časově a regionálně diametrálně odlišné.