Acta Metallurgica Slovaca, 12, 2006, (419 - 424)
419
ALTERNATIVNÍ HNOJIVO NA BÁZI POPELŮ A POPÍLKŮ Z FLUIDNÍHO SPALOVÁNÍ Veselá P.1, Chromková I.1, Ledererová J.1, Svoboda M.1, Vyvážil M.1, Hrubý J.2, Badalíková B.2, Hartman I.2 1 Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s., Hněvkovského 65, 617 00 Brno 2 Výzkumný ústav pícninářský, spol. s.r.o., Zahradní 1, 664 41 Troubsko ALTERNATIVE FERTILIZER ON BASE ASHES AND FLY ASHES FROM FLUIDIZED COMBUSTION Veselá P.1, Chromková I.1, Ledererová J.1, Svoboda M.1, Vyvážil M.1, Hrubý J.2, Badalíková B.2, Hartman I.2 1 Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s., Hněvkovského 65, 617 00 Brno 2 Výzkumný ústav pícninářský, spol. s.r.o., Zahradní 1, 664 41 Troubsko Abstract In October 2003 was started project EUREKA no. E!2936 „Economical and ecological utilization of selected residual materials for landscape creation“, which is engaged in possibilities of utilization of bulk cargo waste materials from energetic and metallurgical industry in building industry and in agriculture for recultivation. The project in cooperation with Research Institute of Building Materials and Research Institute for Fodder Crops is solving possibilities of embeding ashes and fly ashes in form of granules into the soil. Granules have to satisfy special technological characteristics, ecological requirements, must not have negativ effect on vegetation covers and must improve the quality of soil background by pH raising. Granules seems to be suitable substitute for insufficient liming of soil in recent years. Key words: industrial waste materials, alternative fertilizer, recultivation, pH soil correction Abstrakt V říjnu 2003 byl zahájen projekt EUREKA č. E!2936 „Ekonomické a ekologické využití vybraných zbytkových průmyslových materiálů při tvorbě krajiny“, který se zabývá možnostmi využití velkoobjemových odpadů z energetického a metalurgického průmyslu ve stavebnictví a v zemědělství pro rekultivační účely. Projekt ve spolupráci Výzkumného ústavu stavebních hmot a Výzkumného ústavu pícninářského řeší možnosti zapravení fluidních popelů a popílků ve formě granulátu do půdy, přičemž granulát splňuje specifické technologické vlastnosti, vyhovuje ekologickým požadavkům, negativně neovlivňuje rostlinný pokryv místa a zlepšuje kvalitu půdního prostředí zvyšováním pH půdy. Granulát se jeví jako vhodná alternativa za nedostatečné vápnění zemědělské půdy v posledních letech. Úvod Na projektu EUREKA č. E!2936 „Ekonomické a ekologické využití vybraných zbytkových průmyslových materiálů při tvorbě krajiny“ se podílí řešitelé z Turecka (Tubitak MRC., Erdemir Steel Plant, ISTON), Srbska (JP Elektroprivreda Srbije a Center for Multidisciplinary Studies of Belgrade University) a České republiky (Výzkumný ústav
Acta Metallurgica Slovaca, 12, 2006, (419 - 424)
420
stavebních hmot, a.s., Brno – nositel projektu a Výzkumný ústav pícninářský Troubsko, spol. s.r.o.). Jednotliví řešitelé projektu se zabývají možnostmi využití velkoobjemových průmyslových odpadních materiálů ve stavebnictví. Řešitelé České republiky se zaměřují na využití produktů fluidního spalování (dále FPP) při úpravě krajiny, do zásypů, obsypů, při likvidaci zdevastovaných ploch, odkališť, skládek, apod. Tyto typy produktů ze spalování se vyznačují zejména vyšším obsahem volného CaO, které při využití k rekultivačním činnostem mohou příznivě ovlivnit půdní pH. Předpokladem je proto také využití FPP jako náhrady za vápenné hnojivo. Příprava FPP pro zapracování do půdy Pro aplikaci konkrétního FPP do půdy nebo substrátu byly stanoveny požadavky na následující faktory: • snadná manipulovatelnost a zamezení prašnosti • obsah volného CaO • ekologická vhodnost Na vzorcích fluidních popelů a popílků byly provedeny základní vstupní fyzikální zkoušky, chemické analýzy a zkoušky ekologické vhodnosti. Z hlediska použití FPP jako vápenného hnojiva jsou sledovány zejména parametry sítového rozboru a obsah volného CaO. Z provedených fyzikálních zkoušek u všech tří typů FPP z filtru (Třinec, Hodonín, Olomouc) jednoznačně vyplynula potřeba kompaktace tohoto materiálu do formy granulátu, aby se zamezilo prašnosti a byla usnadněna manipulovatelnost. Popel ložový má takovou zrnitost, že jej pro zemědělské účely není nutné dále upravovat, na rozdíl od popílku z filtrů, který je velmi jemný, a proto se před aplikací upravuje kompaktací. Tato kompaktace zabrání prašnosti při aplikaci do půdy a usnadní manipulovatelnost. Na základě zkušeností zemědělských odborníků byl navržen granulát o frakci 4 – 8 mm a zvolen výrobní postup tvorby granulátu na granulačních válcích. Hodnota volného CaO (běžně okolo 5% a výjimečný obsah až 15%) má zásadně rozhodující vliv pro následnou úpravu pH půd. Tato hodnota se u různých FPP liší vzhledem ke způsobu spalování, typu a kvalitě uhlí a množství aditiva přidávaného do spalovacího procesu. Pro producenty FPP znamená vyšší obsah volného CaO plýtvání sorbentem, ale naopak pro účely řešení projektu je vysoký obsah volného CaO hlavní výhodou. Zjišťování obsahu volného CaO se provádí nejčastěji sacharátovou titrační metodou. Při kompaktaci s použitím vody dochází ke snížení obsahu volného CaO, neboť se částečně spotřebuje při vzniku nových reakčních produktů – reakce voda a popílek. Po dohodě s VUP Troubsko byla stanovena minimální hodnota obsahu CaO v granulátech 20%. Z tohoto důvodu bylo nutné přistoupit k výrobě granulátu bez použití vody, případně s omezeným množstvím použité vody při výrobě. Kompaktace se prováděla s použitím lihu, bramborového škrobu rozpuštěného nebo vařeného ve vodě, melasy nebo minerálních komponent neolitického charakteru s využitím jejich iontovýměnných vlastností, které současně mohou imobilizovat toxické látky obsažené v produktech spalování. Po vyrobení granulátu a po odstranění technologické vlhkosti (vysušení) byla orientačně ověřována schopnost granulátu odolat manipulaci s vápenným hnojivem (drcením granulí tlakem mezi prsty), např. při přepravě nebo dávkování do „rozmetacího“ zařízení před aplikací na pole. V další fázi bylo sledováno chování vyrobeného granulátu po uložení vysušených granulí do vodního prostředí a byl zjišťován stav po dvou týdnech uložení ve vodě.
421
Acta Metallurgica Slovaca, 12, 2006, (419 - 424)
Touto zkouškou byla orientačně ověřována schopnost granulátu rozpadat se po zapracování do hlíny působením povětrnostních vlivů – zejména deště. Na granulátech vybraných pro další testování ve VUP Troubsko byl stanoven obsah CaO a vlhkost, což jsou nejdůležitější parametry pro využití granulátu jako vápenatého hnojiva. Tyto parametry jsou nezbytné pro testování granulátu v půdě. Ekologická vhodnosť Testy ekologické vhodnosti hodnotí vlastnosti výrobku, obsahujícího odpad, a jsou předpokladem zdravotní nezávadnosti navrhovaného granulátu. Testy zahrnují stanovení hmotnostní aktivity radionuklidů, stanovení škodlivých látek v šušině a ve výluhu, ekotoxicitu. Stanovení hmotnostní aktivity radionuklidů: V rámci stanovení ekologických parametrů se sleduje hmotnostní aktivita radionuklidů v souladu se zákonem č. 18/1997 Sb. o mírovém využití jaderné energie a žádný z měřených vzorků nepřevýšil směrnou hodnotu stanovenou vyhláškou č. 307/2002 Sb. o radiační ochraně (příloha č. 10, tabulka č. 1). Vzorky vyhovovaly požadavkům na obsah přírodních radionuklidů. Stanovení nebezpečných anorganických a organických složek ve výluhu a v sušině: Životní prostředí je ovlivňováno stopovými polutanty souhrnně označovanými toxické kovy. Patří mezi ně As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg a Mo. Zvýšená koncentrace kovů může snižovat obranyschopnost organismů vůči ionizujícímu záření. Některé kovy mohou způsobit mutagenní poškození DNA. U FPP Hodoním bylo zjištěno, že v případě As, Ni přesahují povolený limit obsahu těžkých kovů a u FPP Olomouc překročil limitní hodnoty v případech As, Cu, Hg a Ni. Tyto FPP je proto nutné před kompaktováním ředit stínicím materiálem – zeminou. Stanovené limitní hodnoty obsahu těžkých kovů nepřekračuje granulát s obsahem 100% FPP Třinec a granule s obsahem 70% FPP Hodonín + 30% hliněného substrátu. Stanovení ekotoxicity: Pro stanovení ekotoxicity byl zvolen legislativou daný soubor testů na živých organismech. Do testů jsou zařazeny organismy zástupce obratlovců ryba Poecilia reticulata, zástupce bezobratlých perloočka Daphnia magna, zástupce vyšších rostlin hořčice Sinapis alba a autotrofní jednobuněčná řasa Scenedesmus subspicatus. Sledován je úhyn nebo změna chování u ryb, úhyn nebo imobilizace u perlooček, růst počtu buněk u řasové suspenze, růst kořene u hořčice bílé po skončení testovací doby. Table 1 Ecotoxic tests results Testovací metoda
J a r o 2005
Název vzorku
Zkouška Zkouška inhibice inhibice Stanovení letální růstu toxicity látek pro pohyblivosti sladkovodní ryby Daphnia magna sladkovodních řas Straus
Test inhibice růstu kořene hořčice bílé
Limitní hodnota
0
10
30
30
Granulát FPP Třinec + voda
0
6,7
38,3
11
Granulát FPP Třinec + vařený škrob
0
6,7
38,3
5,0
Granulát FPP Třinec + cihlářský jíl
0
3,3
50,2
9,5
Granulát FPP Třinec + zeolity
0
16,7
46,5
5,5
422
Acta Metallurgica Slovaca, 12, 2006, (419 - 424)
Testovací metoda
P o d z i m 2005
Název vzorku
Zkouška inhibice Stanovení letální Zkouška inhibice toxicity látek pro pohyblivosti růstu sladkovodní ryby Daphnia magna sladkovodních řas Straus
Test inhibice růstu kořene hořčice bílé
Limitní hodnota
0
10
30
30
Granulát FPP Třinec + melasa
100
100
95,9
99,7
0
0
53,6
3,4
Granulát FPP Třinec + vápenec + voda Granulát FPP Třinec + vařený škrob + voda Granulát FPP Hodonín + voda Granulát FPP Olomouc + voda
Dosud nezpracováno
Granuláty z FPP Třinec mírně překračovaly limitní hodnotu u zkoušky inhibice růstu sladkovodních řas. Jako velmi problémové se jeví použití melasy jako pojiva. Výsledky testů ekotoxicity v případě granulátu z FPP Olomouc a FPP Hodonín nebyly dosud zpracovány. K dalšímu testování byly Výzkumnému ústavu pícninářskému v Troubsku předány granuláty na bázi: • bramborového škrobu vařeného ve vodě • cihlářského jílu a zeolitu • melasy Při výrobě granulátu z bramborového škrobu je nutno počítat s vyšší ekonomickou náročností, granulát s použitím melasy jako pojiva je problémový nejen po ekonomické, ale i ekologické stránce. Uvedená pojiva byla mimo jiné použita pro zajištění rychlejší rozpadavosti granulátu v půdě. Vzhledem k tomu, že původní granuláty na bázi FPP a vody se rozpadly do dvou let po aplikaci do půdy (požadavek daný předpisy pro hnojiva v České republice), bude nadále upřednostňována receptura FPP vyhovujícího po ekologické stránce s vodou, případně doplněná dolomitickým vápencem pro dosažení požadované hodnoty obsahu CaO. K testování byly vyrobeny do VUP Troubsko předány následující typy granulátů pro maloparcelové pokusy v pokusné stanici ZEMSERVIS Domanínek: • FPP Třinec + voda • FPP Třinec + dolomitický vápenec + voda Na podzim 2005 byla navázána spolupráce s univerzitou v Polsku – Akademia rolnicza w Szczecinie, Katedra upraly roli, rośtlin i doswiadczalnictva. Pro jejich nádobové pokusy na travních porostech byly vyrobeny následující typy granulátů: • FPP Třinec, FPP Olomouc, FPP Hodonín + voda • FPP Třinec + bramborový škrob vařený ve vodě Hodnocení vlivu FPP na vybrané složky půdního prostředí, s důrazem na chemismus a pH půdy v maloparcelových pokusech Na podzim roku 2004 byly Výzkumným ústavem pícninářským založeny maloparcelové pokusy na trvalých travních porostech v Domanínku a Troubsku. Výzkumné aktivity VUP Troubsko jsou orientovány na studium vlivu využití granulátů na bázi FPP
Acta Metallurgica Slovaca, 12, 2006, (419 - 424)
423
vyrobeného Výzkumným ústavem stavebních hmot při aplikaci do půdy. Byly provedeny následující pokusy: • orná půda – maloparcelové pokusy – Troubsko • trvalý travní porost – maloparcelové pokusy – Troubsko, Domanínek • nádobové pokusy Sledován byl vliv stupňovaných dávek aplikovaného granulátu na změny pH půdy, na růst a vývoj porostů, na výnosy sklizené hmoty v zeleném a v sušině, vliv na výskyt chorob a škůdců ve srovnání s kontrolní variantou. Dále byla sledována ekologická vhodnost, biologická aktivita půdy (aktinomycety, mikromycety ve vztahu ke změnám pH půdy a vliv na zdravotní stav porostu. Dávky granulátu na parcelách byly stanoveny na základě obsahu CaO. Pro každý typ granulátu byly vytvořeny tři základní parcely o velikosti 4,2 m2, na něž byly aplikovány: • celé dávky granulátu • poloviční dávky granulátu • s nulovým obsahem granulátu (kontrolní vzorek) Dávky byly stanoveny na základě kalkulované dávky vápnění a obsahu CaO v FPP. V maloparcelových pokusech byly testovány plodiny: • Ječmen jarní (Hordeum vulgare L.) • Světlice barvířská (Carthamus tinctorius L.) • Sléz krmný (Malva verticillata L.) Hodnocení bylo prováděno v předem stanovených intervalech: • pH půdy ve dvou-měsíčních intervalech • aktivní (pH/H2O) a výměnná půdní reakce (pH/KCl) je monitorována průběžně • testy ekologické vhodnosti byly prováděny v šesti-měsíčních intervalech (analýzy vzorků půdy a plodin) Závěr V roce 2005 se pH půdy na testovaných parcelách pohybovalo již na stabilní úrovni. Ve srovnání s rokem 2004 se u testovaných variant pH/H2O zvýšilo o 0,7 až 1,0, ustálilo se na úrovni 7,8 – 8,1 oproti kontrolnímu (původnímu) pH, které bylo 7,3. Výnosy (v zelené hmotě i v sušině) testovaných plodin nebyly významně ovlivněny aplikací materiálu do půdy. Ve srovnání s rokem 2004 výnosy mírně vzrostly. Avšak je nutno také zohlednit průběh ročníku – tj. průběh teplot a srážek zejména ve vegetačním období. Zdravotní stav testovaných porostů byl dobrý. U sklizeného materiálu byly provedeny chemické rozbory, které ukázaly, že jsou jisté tendence zvyšování obsahu dusíku v rostlinách u aplikovaného FPP zejména u ječmene. Všechny rostliny vykazují vyšší obsah mědi a zinku. Obsah těchto složek je u ložového popele podstatně nižší než u granulátu. Přesto jsou u sledovaných rostlin tyto hodnoty přibližně na stejné úrovni. Nejnižší obsah uvedených škodlivin obsahuje ječmen – sláma, nejvyšší světlice barvířská. Výsledky dále ukázaly, že plodina ani množství a druh popele (složení granulátu) neovlivnily počty mikromycet a aktinomycet. Výzkumné práce budou pokračovat i v letošním roce, tudíž se přesnější zhodnocení teprve očekává. Poděkování Tento příspěvek byl vytvořen s podporou projetku EUREKA č. E!2936.
Acta Metallurgica Slovaca, 12, 2006, (419 - 424)
424
Literatura [1] Svoboda M., Suchardová M. a kol.: Využití odpadních materiálů pro rekultivační účely a krajinotvorbě. Sborník IX. konference Výzkumného ústavu stavebních hmot Ekologie a nové stavební hmoty a výrobky. Telč: s. 67-72, 2005 [2] Ledererová J. a kol.: EUREKA – E!2936 – ECO- UTIRESMAT. Průběžná zpráva o realizaci projektu za rok 2005. Brno, 2005 [3] Chromková I., Vojáček J., Hrubý J.: Ověřování využití odpadních FPP jako cenné suroviny v zemědělství a při tvorbě krajiny. Sborník konference Recycling 2004. Ostrava, 2004
