Výzkumná skupina odpadového hospodářství a udržitelných technologií

Motivace – přechod od lineární výrobní ekonomiky k cirkulární ekonomice pro zpracování a recyklaci odpadu v kombinaci s efektivním získáváním cenných prvků z primárních zdrojů, včetně vysoce a nízkokvalitních a komplexních rud.

Zaměřeno na:

• Různé komunální a průmyslové odpady, odpady s obsahem kovů a důlní hlušiny,
• Získávání kovů a prvků vzácných zemin z různých druhů elektronického odpadu,
• Recyklace plastových a kompozitních odpadů se zaměřením na materiálovou recyklaci tvrdých plastů a fóliových kompozitních materiálů,
• Získávání cenných prvků z primárních zdrojů pomocí integrovaných metod zpracování nerostných surovin, hydrometalurgie a pyrometalurgie.

Motivace – pochopení environmentálního chování odpadu a druhotných zdrojů vyžaduje analytické přístupy přizpůsobené komplexním matricím se zaměřením na posouzení vyplavování a mobility kontaminantů do okolního prostředí, aby bylo možné bezpečně a informovaně s nimi nakládat, regenerovat a opětovně používat.

Zaměřeno na:

• Vývoj analytických přístupů pro komplexní a heterogenní odpadové matrice,
• Posouzení vyplavování, mobility a dlouhodobého uvolňování kontaminujících látek do okolního prostředí,
• Analýza anorganických materiálů (ICP-OES, XRF, ICP-MS),
• Chemická speciační analýza sloučenin relevantních pro životní prostředí,
• Environmentální analýza půd, vod a výluhů,
• Analýza toku materiálu.

Motivace – zlepšení efektivity a výkonnosti technologií recyklace a zpracování.

Zaměřeno na:

• Analýza proudění hlavních procesních proudů,
• Řešení problémů v provozním technologickém zařízení za účelem zvýšení kvality a výtěžnosti, jakož i energetické účinnosti,
• Optimalizace provozních parametrů procesu,
• Termochemická konverze paliva a čištění spalin,
• Zpracování odpadu z primárních procesů nebo odpadu z recyklačních procesů pro použití ve stavebnictví.

Motivace – klasifikace odpadů a hodnocení nebezpečných vlastností na základě environmentálních vlastností a posouzení rizik, což zajišťuje bezpečné zacházení, dodržování předpisů, ochranu životního prostředí a vhodnost pro recyklaci, využití nebo opětovné použití.

Zaměřeno na:

• Charakterizace vlivů na životní prostředí odpadů, průmyslových zbytků a druhotných zdrojů,
• Posouzení uvolňování kontaminantů, jejich mobility a dlouhodobého chování za environmentálně relevantních podmínek,
• Testy charakterizace vlivů na životní prostředí (perkolace vzestupným prouděním, dávkové a pH-závislé vyluhování, dělení pevných látek a kapalin),
• Chemická speciace vybraných prvků relevantních pro environmentální chování a klasifikaci,
• Analýza organických a anorganických kontaminantů, včetně potenciálně toxických prvků, perfluorovaných mastných kyselin (PFAS) a anorganických solí,
• Hodnocení vhodnosti materiálů pro recyklaci, regeneraci a opětovné použití,
• Podpora pro posuzování vlivů na životní prostředí a regulační praxi.

Motivace – propojení výzkumu s implementací a rozhodováním v reálném světě se zaměřením na řešení reálných problémů a zlepšování průmyslových procesů ve spolupráci s průmyslem, politikou a veřejnou správou.

Zaměřeno na:

• Příspěvek k právnímu rámci a politice,
• Podpora rozvoje a optimalizace procesů,
• Spolupráce s průmyslovými partnery a výzkumnými institucemi,
• Implementace strategií oběhového hospodářství,
• Monitorování oběhového hospodářství odpadů,
• Aplikovaný výzkum a transfer technologií,
• Podpora vládních a strategických projektů.

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