Výzkumná skupina odpadového hospodářství a udržitelných technologií

Spolu s vývojem nových technologií a druhů materiálů, vznikají i nové druhy odpadů v komunální a průmyslové sféře, které musí být zpracovány s ohledem na cirkulární ekonomiku. Proto v rámci tohoto tématu se zaměřujeme jak na obtížně zpracovatelné již existující odpady, tak i na vývoj recyklačních metod pro nově vznikající odpady s důrazem na maximalizaci zpětného získávání cenných surovin a jejich ekologické zpracování. Mezi zájmové oblasti patří:

• Analýza materiálových toků nových druhů odpadů;
• Environmentální dopady a charakteristika nových typů odpadů;
• Získávání kovů a kovů vzácných zemin z různých typů elektroodpadů;
• Získávání cenných složek z těžebních zbytků;
• Zhodnocení průmyslových zbytků jako sekundárních zdrojů;
• Zpracování různých složek komunálních odpadů (plasty, textil, apod.).

Energetické využití odpadů představuje klíčovou technologii pro zpracování směsného komunálního odpadu a nezbytných odpadů, které nelze recyklovat. Při procesu energetického využití odpadů vznikají pevné zbytky, konkrétně popílek a škvára, které mohou být využity jako sekundární suroviny. Naše výzkumné úsilí se soustředí na následující aspekty:

• Zpracování a materiálové využití popílků a škváry: Zabýváme se vývojem metod pro zpracování a využití těchto pevných zbytků. V případě popílku se zaměřujeme na odstranění nebezpečných vlastností a možnosti získávání solí a kovů z něj. Pokud jde o škváru, vyvíjíme efektivní postupy pro získávání cenných složek, zejména neželezných kovů, a zkoumáme možnosti jejího využití ve stavebním průmyslu;
• Využití odpadní technologické vody: Studujeme možnosti využití odpadní technologické vody, například pro výrobu sádrovce. Tímto způsobem přispíváme k efektivnímu využití zbytků z energetického využití odpadů a minimalizaci negativního dopadu na životní prostředí.

Kromě spalování se věnujeme i problematice pyrolýzy a zplyňování pevných paliv na produkty s vyšší přidanou hodnotou, na objasnění vlivu procesních podmínek na kvalitu plynných a pevných produktů, či vývoji metod pro čištění plynných produktů. V této oblasti je v poslední době stěžejní téma zplyňování dřevní biomasy s produkcí biocharu jako půdního suplementu či adsorbentu znečišťujících látek, a téma zpracování čistírenských kalů procesy pyrolýzy a spalování s následným využitím pevných produktů, např. pro jejich použití jako pomocné půdní látky (pyrolýza) či k znovuzískávání fosforu (spalování).

Čištění spalin je vzhledem ke stále se zpřísňujícím hodnotám emisních limitů jednou z klíčových výzev pro výzkum. V této oblasti se věnujeme vývoji efektivních postupů pro záchyt rtuti ze spalin a postupům pro záchyt kyselých složek, a to jak pomocí suchých metod, tak metod mokrých či vývoji zcela nových konceptů například využívající membránové separace. V neposlední řadě se věnujeme i problematice snižování emisí skleníkových plynů z energetických procesů včetně analýzy dopadů na provoz energetických zařízení.

Ve Výzkumné skupině odpadového hospodářství a udržitelných technologií se problematice výroby vysokoteplotního biocharu jako vedlejšího energetického produktu věnuje tým pod vedením docenta Pohořelého. Jedním z hlavních úspěchů byl Patent na zplyňovací zařízení umožňující kombinovanou výrobu užitného tepla, elektrické energie a biocharu, na základě kterého byla v obci Zlatá Olešnice spuštěna průmyslová jednotka. Souběžně se tým podílel na zprovoznění dalších zplyňovacích jednotek v ČR s cílem výroby generátorového plynu s nízkým obsahem dehtů. Výsledkem spolupráce a úpravě pracovních parametrů těchto zplyňovacích jednotek bylo dosaženo velice nízkých hodnot dehtů v generátorovém plynu (5–50 mg.m^-3), což je výrazně pod hranicemi pro spalovací motory. Vedlejší energetický produkt (pevný zbytek) splňoval kvalitativní standardy pro jeho použití jako tzv. biocharu dle EBC (European Biochar Certificate). Biochar měl specifický povrch 350–700 m².g^-1, velmi nízký obsah prchavé hořlaviny, H/C poměr a PAU (Fuel (2020)).

Naše expertíza v oblasti výroby vysokoteplotního biocharu vedla k navázání spolupráce s dalšími výzkumnými skupinami z institucí jako je Česká zemědělská univerzita v Praze, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze a Foshan University. Tyto instituce využily naše znalosti v oblasti přípravy, výroby, charakterizace vlastností biocharu pro badatelskou práci v oblasti udržitelného zemědělství (Soil Tillage Res (2018), Sci Total Environ (2022a), Chemosphere (2022), Sci Total Environ (2022b), Soil Use Manag (2024)), odstraňování těžkých kovů a metaloidů z kontaminovaných půd a vod (Bioresour Technol (2014), Sci Total Environ (2019), Chemosphere (2020), J Hazard Mater (2021), Environ Sci Pollut Res (2022), J Hazard Mater (2022a), J Hazard Mater (2022b), či jako komponenty krmiva (Anim Feed Sci Technol (2022)). Uvedené výzkumné práce byly podpořeny projekty: Zpracování zbytkové biomasy kombinovanou termolýzou na pokročilé energetické nosiče a půdní aditiva (MZe, QK1820175) a Dlouhodobý test aplikace biocharu vyrobeného z odpadní biomasy do zemědělské půdy za účelem řešení problematiky sucha v intenzivně zemědělsky využívaných oblastech České republiky (MZe, QK1910056).

• Bioresour. Technol. 171, 442–451, 2014. DOI
• Soil Tillage Res. 184, 181–185, 2018. DOI
• Sci. Total Environ. 670, 1159–1169, 2019. DOI
• Fuel 281, 118637, 2020. DOI
• Chemosphere 242, 125255, 2020. DOI
• J. Hazard. Mater. 407, 124344, 2021. DOI
• Anim. Feed Sci. Technol. 285, 115242, 2022. DOI
• Environ. Sci. Pollut. Res. 29, 37435–37444, 2022. DOI
• Chemosphere 293, 133586, 2022. DOI
• J. Hazard. Mater. 424, 127136, 2022a. DOI
• J. Hazard. Mater. 425, 127971, 2022b. DOI
• Sci. Total Environ. 814, 152772, 2022a. DOI
• Sci. Total Environ. 807, 151058, 2022b. DOI
• Energies 16, 1202, 2023. DOI
• Soil Use. Manag. 40, e12997, 2024. DOI

V současné době se čistírenské kaly (ČK) využívají v zemědělství přímou aplikací na půdu či ve formě kompostu, spalují se nebo se odstraňují uložením na skládce. V České republice výrazně převládá materiálové využití na zemědělské půdě či v kompostech. Oproti tomu v zemích západní Evropy (např. Německo, Rakousko, Švýcarsko, Nizozemsko, Belgie) je běžnější spalování nebo spolu-spalování. Tento přístup vychází z obav o kontaminaci životního prostředí škodlivinami obsaženými v ČK, jako jsou těžké kovy, mikroplasty, patogeny, organické polutanty (PAU, per- a polyfluorované látky (PFAS), zpomalovače hoření, léčiva, hormony nebo endokrinní disruptory atd). Tyto látky jsou při spalování odstraňovány a vzniklý popel v případě mono-spalování je bohatý na obsah fosforu, což je kritická surovina pro EU. Z tohoto důvodu již některé země jako Německo, Rakousko a Švýcarsko zavedly povinnost znovuzískávat (regenerovat) fosfor z popelů ze spalování ČK nebo přímo z ČK.

V rámci Výzkumné skupiny odpadového hospodářství a udržitelných technologií se tým pod vedením docenta Pohořelého věnuje problematice termochemického zpracování ČK, zejména pyrolýzou a spalováním ČK s následným využitím pevných produktů procesů. Výsledky výzkumu podpořeného projekty „TH03020119 – Materiálová transformace čistírenského kalu na hnojivo se zvýšeným obsahem fosforu“ a „QK21020022 – Komplexní posouzení aplikace upravených čistírenských kalů v zemědělství s ohledem na mikropolutanty“ byly úspěšně využity ve spolupráci s firmou HST Hydrosystémy, s.r.o. k optimalizaci provozu komerční jednotky na pyrolýzu čistírenských kalů na čistírně odpadních vod (ČOV) v Trutnově – Bohuslavicích. Praktickými závěry bylo doporučení provádět pyrolýzu při teplotě alespoň 500 °C, při jmenovitém výkonu nad 600 °C, aby bylo dosaženo:

• převedení dostatečného množství energie kalu do primárního pyrolýzního plynu, který dále slouží k ohřevu samotné pyrolýzy a předsušení kalu,
• odstranění přítomných organických polutantů, patogenů a mikroplastů, a
• vytvoření dostatečné porosity pyrolyzovaného kalu (sludge-char).

           (Energies 2020, J Anal Appl Pyrolysis 2021, J Anal Appl Pyrolysis 2022, Sci Total Environ 2024, Chemosphere 2021)

Tyto výsledky přispívají k úpravě evropské a české legislativy týkající se výroby a využití pyrolyzovaného kalu (sludge-char) v zemědělství. Například díky spolupráci byl v České republice sludge-char produkovaný v ČOV Trutnov vyjmut z katalogu odpadů a certifikován Ústředním kontrolním a zkušebním ústavem zemědělským jako pomocná půdní látka (Karbofert T1). Členové týmu rovněž působí jako vědečtí experti v jednáních skupiny pro pyrolyzované kaly v rámci European Biochar Industry Consortium (EBI), která má za úkol iniciování úpravy Nařízení Evropského parlamentu a Rady (EU) 2019/1009, kterým se stanoví pravidla pro dodávání hnojivých výrobků EU na trh vytvořením vlastní kategorie složkových materiálů pro pyrolyzované čistírenské kaly.

Dále se skupina pod vedením docenta Pohořelého věnuje problematice:

• fluidního spalování čistírenských kalů s možností využití vzniklých popelů pro znovuzískávání fosforu a dalších užitečných surovin, což bylo podrobně popsáno v přehledném článku J Environ Manage 2021,
• legislativě v oblasti nakládání s ČK na tuzemské i mezinárodní úrovni, např. v konkrétní spolupráci s vědeckými kolegy v Japonsku, závěry publikované v Clean Techn Environ Policy 2023,
• odstraňování per- a polyfluorovaných látek (PFAS) a organického fluoru obsažených v ČK pyrolýzou v laboratorním i aplikačním měřítku na ČOV Bohuslavice – Trutnov ve spolupráci s MBÚ AV ČR, s výsledky v Biochar 2024 – v tisku,
• výzkumu spalování ČK, podpořeným projektem „TK05020001 – Fluidní technologie pro decentralizované energetické využití vysušených čistírenských kalů“, jehož výsledkem bude projektová dokumentace a prototyp fluidního spalovacího zařízení o výkonu 0,5 MW.

• Energies 13, 4087, 2020. DOI
• Chemosphere 265, 129082, 2021. DOI
• J. Anal. Appl. Pyrolysis 156, 105085, 2021. DOI
• J. Anal. Appl. Pyrolysis 161, 105387, 2022. DOI
• J. Environ. Manage. 315, 115090, 2022. DOI
• Clean Techn Environ Policy, 2023. DOI
  
• Sci Total Environ. 918, 170572, 2024. DOI
• Biochar, 2024 v tisku

Škvára je hlavní pevný zbytek z energetického využití odpadů. Složení škváry odpovídá složení spalovaného odpadu, které je pak závislé na charakteru svozové oblasti, úrovni třídění a separovaného sběru v místě, typu zástavby apod. Vliv těchto faktorů na obsah železných a neželezných kovů a skla byl zjištěn na základě detailní analýzy složení škváry ze třech zařízení pro energetické využití odpadů v ČR a analýzy jejich svozové oblasti. Jako klíčový faktor byl zjištěn poměr mezi komunálními a živnostenskými odpady. Větší podíl recyklovatelných složek, jako jsou železné a neželezné kovy, je pak ve škváře z velkých městských spaloven jako např. v Praze, které spalují téměř výhradně odpad komunální (Waste Manage. 2018).

Efektivní získávání těchto kovů je pak vzhledem k vlhkému charakteru škváry nelehký technologický úkol. V současné době existuje řada různých technologií a technologických konceptů separace s rozdílnou náročností a účinností a každá technologická jednotka je téměř unikátní. Principy jsou ovšem shodné a zahrnují různé kroky předúpravy (zrání, drcení, sítování apod.) s následnou separací pomocí magnetických separátorů, vířivých proudů a senzorových systémů. Nejlepší dostupná praxe při separaci kovů a postupy, jak jí dosáhnout, byly v rámci mezinárodního autorského kolektivu sesumarizovány v roce 2020 (J. Hazard. Mater. 2020). Na základě těchto znalostí pak byla zkonstruována v ZEVO Malešice poloprovozní jednotka s kapacitou jednotky tun hodinově pro účinné získávání neželezných kovů z částic nad 3 mm. Výsledky a know-how pak budou využity pro stavbu reálné jednotky.

Škváru po separaci kovů je možné využít v různých aplikacích stavebního průmyslu. Možnost využití, stejně jako nastavení technických a environmentálních kritérii pro bezpečné využití, se řídí národní legislativou každého státu. Přehled této legislativy pro využití škváry v Evropě spolu s analýzou výše uvedených kritérii byl zpracován v rámci mezinárodní kolektivu do přehledného článku (Waste Manage. 2020).

• Waste Manage. 73, 360-366, 2018. DOI
• Ověřená technologie pro separaci neželezných kovů ze škváry po energetickém využití odpadů. 2019.
• Zařízení pro separaci neželezných kovů ze sypké směsi (PUV) 2019, CZ33130.
  
• J. Hazard. Mater. 393, 122433, 2020. DOI
• Waste Manage. 102, 868-883, 2020. DOI

Rtuť je jedním z nejvýznamnějších polutantů v emisích zejména ze spalování uhlí. Pro její efektivní záchyt je nutná znalost její speciace. V rámci rozsáhle experimentální činnosti bylo objasněno chování rtuti během spalování a určeny klíčové faktory ovlivňující její speciaci včetně experimentálního ověření možných metod jejího záchytu. Pro efektivní sorpci rtuti (hlavně ve formě par elementární rtuti Hg⁰) jsou důležité tři faktory:

1. specifický povrch sorbentu (měl by být, pokud možno, nad asi 200 m²/g),
2. teplota sorpce (účinnější je sorpce za teplot pod asi 150 °C),
3. a impregnace (oxidující sloučeniny s chloridy a bromidy a prostředky se sírou, jak elementární, tak polysulfidy).

U sorpce Hg⁰ a Hg-sloučenin na popílcích hraje rozhodující roli obsah nespáleného uhlíku, obsah chloridů, specifický povrch a teplota sorpce. Obsah vodních par v plynu většinou mírně snižuje sorpci rtuti na sorbentech. Při vyšším poměru koncentrací HCl/SO₂ ve spalinách a obsahu kyslíku nad cca 4 % obj. se Hg⁰ oxiduje v plynu na HgCl₂. Oxidace je závislá na teplotě, katalyticky aktivním povrchu a na době zdržení. Organokovové sloučeniny rtuti jsou ve spalovacích procesech převedeny na směs par elementární rtuti a anorganických sloučenin, hlavně na HgCl₂. Ve spalinách s velmi nízkým obsahem VOC se prakticky netvoří organokovové sloučeniny rtuti. U mokrých absorpčních metod odstraňování rtuti spolu s SO₂ je nutné dbát na minimalizaci tzv. re-emisí rtuti vyvolaných redukcí Hg²⁺ na Hg⁰ s následnou volatilizací do spalin. Uvedená zjištění byla publikována v řadě originálních prací a slouží jako základ pro vývoj metod pro záchyt Hg ze spalin.

• J. Environ. Manage. 166, 499-511, 2016. DOI
• J. Environ. Manage. 206, 276-283, 2018. DOI
• Waste Manage. 73, 265-270, 2018. DOI

• Recyklace kompositních materiálů (Pat. No. 307054/PV 2015-931)
• Fluidní zplyňování biomasy
• Hydrolýza biologicky rozložitelných odpadů