Na všechna Oddělení

Výzkumná skupina odpadového hospodářství a udržitelných technologií

Výzkumná skupina odpadového hospodářství a udržitelných technologií se dlouhodobě zabývá systematickým výzkumem v oblasti zpracování, recyklace a minimalizace environmentálních dopadů různých druhů odpadních materiálů. Mezi zájmové oblasti zejména patři:

  • Získávání cenných surovin z komunálních odpadů, průmyslových a těžebních zbytků;
  • Analýza materiálových toků odpadů se zaměřením na posouzení jejich vlivu na životní prostředí a vývoj metod s ohledem na možnosti jejich využití a zpracování v rámci cirkulární ekonomiky;
  • Termické zpracování paliv a odpadních materiálů s důrazem na odstranění ze spalin polutantů jako jsou například kyselé složky, pevné částice, rtuť a na vývoj postupů pro zpracování a na využití pevných zbytků jako jsou škvára, popílky, či biochar;
  • Efektivní postupy pro minimalizaci environmentálních dopadů termických technologií se zaměřením na odstraňování rtuti, kyselých složek či skleníkových plynů z odplynů.

Oddělení je nejen plně vybaveno komplexním analytickým a podpůrným vybavením, ale i řadou vlastně navržených aparatur pro realizaci spalovacích zkoušek a výluhových testů, separátorů pro testování a vývoj recyklačních procesů.

Vývoj nových postupů pro zpracování či recyklaci odpadů a odpadních materiálů

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

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.

Materiálové a energetické využití odpadní biomasy

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 pro dosažení nízkých koncentrací polutantů

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.

Příprava, výroba, charakterizace a využití biocharu

Výzkumná skupina odpadového hospodářství a udržitelných technologií řeší problematiku výroby vysokoteplotního biocharu jako vedlejšího energetického produktu pod vedením doc. M. Pohořelého v rámci projektu „TA04020583 – Optimalizace vícestupňového zplyňovacího generátoru na biomasu produkujícího plyn s velmi nízkým obsahem dehtu“. Jedním z hlavních výsledků byl Patent na zařízení pro kombinovanou výrobu užitného tepla, elektrické energie a biocharu, dle kterého byla do provozu uvedena průmyslová jednotka. Souběžně se tým podílel na zprovoznění dalších zplyňovacích jednotek v ČR, kdy hlavním cílem bylo produkovat generátorový plyn o nízkém obsahu dehtů. Výsledkem spolupráce a modifikace pracovních parametrů zplyňovacích jednotek bylo dosaženo hodnot dehtů v generátorovém plynu 5–50 mg/m3, což je daleko pod hranicemi pro spalovací motory. Vedlejší energetický produkt splňoval kvalitu pro jeho použití jako biocharu dle EBC (European Biochar Certificate). Biochar měl specifický povrch 350–700 m2/g a velmi nízký obsah prchavé hořlaviny, H/C poměr a PAU (Fuel 2020).

Jako výsledek získaných kompetencí v oblasti výroby vysokoteplotního biocharu o vysoké kvalitě bylo navázaní spolupráce s výzkumnými skupinami (např. Česká zemědělská univerzita v Praze, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Foshan University), které využili naše znalosti výroby a vlastností biocharu pro badatelskou práci v oblasti udržitelného zemědělství (Soil Tillage Res. 2018, Sci. Total Environ. 2022a, Chemosphere 2022, Sci. Total Environ. 2022b), odstraňování těžkých kovů a metaloidů z kontaminovaných půd a vod (J. Hazard. Mater. 2021, Chemosphere 2020, Environ. Sci. Pollut. Res. 2022, Bioresour. Technol. 2014, Sci. Total Environ. 2019, J. Hazard. Mater. 2022a, J. Hazard. Mater. 2022b), či jako komponenty krmiva (Anim. Feed Sci. Technol. 2022).

  • 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

Materiálové a energetické využití čistírenských kalů

V současné době se čistírenské kaly (ČK) využívají hlavně v zemědělství přímou aplikací na půdu či ve formě kompostu, (spolu-)spalováním, nebo se odstraňují uložením na skládce. V České republice výrazně převládá zemědělské využití kalů, ovšem ve vyspělých zemích západní Evropy (např. Německo, Rakousko, Švýcarsko, Holandsko, Belgie) lze pozorovat převládání spalování či spolu-spalování, tj. termochemické zpracování ČK. Takový přístup vychází především z obavy kontaminace životního prostředí polutanty obsaženými v ČK, jako jsou těžké kovy, organické polutanty (perzistentní organické polutanty, farmaka a hormonální látky a jiné), patogenní látky, či mikroplasty; většiny kterých se dá zbavit zpracováním za vysokých teplot termochemické úpravy. Navíc v některých z těchto zemích (Německo, Rakousko, Švýcarsko) se kromě samotného (spolu-)spalování ČK zavádí povinnost znovuzískávání fosforu, kritické suroviny EU, z ČK nebo popelů ze spalování ČK. V rámci Výzkumné skupiny odpadového hospodářství a udržitelných technologií se problematice termochemického zpracování ČK úzce věnuje tým doc. M. Pohořelého, který se zaměřuje především na pyrolýzu a spalování 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 využity v rámci spolupráce s firmou HST Hydrosystémy, s. r. o. pro optimalizaci nastavení komerční jednotky na pyrolýzu čistírenských kalů na čistírně odpadních vod v Trutnově – Bohulavicích. Praktickými závěry bylo doporučení provádět pyrolýzu při teplotě alespoň 500 °C, ideálně 600 °C, aby bylo dosaženo převedení dostatečného množství energie kalu do primárních produktů, které dále slouží k ohřevu samotné pyrolýzy a předsušení kalu a aby byla vytvořena dostatečná porosita pyrolyzovaného kalu (sludge-char) (Energies 2020, J. Anal. Appl. Pyrolysis 2021, J. Anal. Appl. Pyrolysis 2022), a k zabezpečení účinného odstranění organických polutantů obsažených v ČK (Chemosphere 2021). Uvedená spolupráce vyústila k vyjmutí daného sludge‑char z katalogu odpadů a v součinnosti s Ústředním kontrolním a zkušebním ústavem zemědělským (ÚKZUZ) k jeho certifikaci jako pomocné půdní látky. Dále se tým vedený docentem Pohořelým věnuje problematice 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. V oblasti spalování ČK byl výzkum dále podpořen financováním projektu „TK05020001 – Fluidní technologie pro decentralizované energetické využití vysušených čistírenských kalů“.

  • 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

Získávání kovů ze škváry a její využití

ZEVODistribuce neželezných kovůŠkvára 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

Stanovení chování rtuti při spalovacích procesech

Srovnání účinnosti sorpceRtuť 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).

Vliv teploty sorpceU 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

Historie výsledků

 

Jméno a příjmení
E-mail
Telefon
Pozice
Ředitel, Vedoucí výzkumné skupiny, Vedoucí vědecký pracovník
Odborný pracovník ve výzkumu
Odborný pracovník ve výzkumu
Tento web používá cookies. Více o cookies najdete zde.