W związku z proponowanym przez Unię Europejską przechodzeniem od gospodarki liniowej do gospodarki o obiegu zamkniętym (Circular Economy) prowadzone są działania mające na celu ograniczenie zużycia surowców naturalnych, recykling produktów i odpadów oraz poszukiwanie alternatywnych źródeł surowców. Problemy te dotyczą w dużej mierze przemysłu nawozowego.

Z jednej strony dąży się do wzrostu intensyfikacji produkcji rolnej z jednostki areału rolniczego [1], co wymaga wzbogacania gleby w potrzebne do wzrostu roślin składniki pokarmowe poprzez stosowanie efektywnych nawozów, a z drugiej – prowadzona jest szeroko rozwinięta polityka proekologiczna, celem której jest dążenie do ograniczenia ilości powstających odpadów oraz negatywnego wpływu nawożenia na środowisko naturalne. Biorąc dodatkowo pod uwagę ograniczone zasoby dobrych jakościowo surowców fosforowych, uzasadnione jest poszukiwanie sposobów na pozyskiwanie tego pierwiastka ze strumieni odpadowych. Jednym z rodzajów takich substancji odpadowych są popioły ze spalania biomasy.

Rozporządzenie w sprawie nawozów

Komisja Europejska prowadzi prace nad modyfikacją obowiązującego obecnie europejskiego aktu prawnego regulującego zasady wprowadzania nawozów mineralnych na rynek UE, to jest rozporządzenia WE nr 2003/2003 w sprawie nawozów. W obecnie obowiązującej postaci tego rozporządzenia, wymienione są typy nawozów, które mogą być wprowadzane na rynek UE, jak również sprecyzowane warunki jakościowe, jakie muszą one spełniać. Głównym założeniem prac nad nową postacią tego rozporządzenia jest, poza rozszerzeniem zakresu produktów, jakie będzie ono obejmowało, ustanowienie kategorii produktów funkcyjnych (Product Function Categories, PFC), jak również kategorii materiałów składowych (Component Material Categories, CMC), z których składać będą się produkty funkcyjne.

Powołanie grupy roboczej STRUBIAS

W 2016 roku Komisja Europejska powołała grupę roboczą o akronimie STRUBIAS, pochodzącym od nazw trzech głównych produktów będących przedmiotem prac, to jest: Struvite, Biocarbon i Ash, czyli struwitu, biowęgla i popiołów. Zadaniem tej grupy roboczej jest opracowanie przepisów umożliwiających wykorzystanie jako materiałów składowych nawozów, substancji odpadowych, będących źródłem fosforu.

Jednym z rodzajów produktów odpadowych, będących przedmiotem prac grupy STRUBIAS, są pozostałości po procesach termicznej obróbki biomasy. Biomasa, według dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE oznacza ulegającą biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, a także ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych i miejskich. W Polsce problemem do rozwiązania jest zagospodarowanie głównie dwóch rodzajów popiołów powstałych ze spalenia biomasy – są to popioły powstające w wyniku spalania biomasy drzewnej i agro w elektrowniach i elektrociepłowniach oraz ze spalania osadów ściekowych w spalarniach osadów z oczyszczalni ścieków komunalnych. Na obecnym etapie prac planowane jest włączenie do rozporządzenia nawozowego jako jednej z kategorii składników nawozów, popiołów ze spalania biomasy z wyłączeniem popiołów ze spalania osadów ściekowych.

Zagospodarowanie popiołów

W Polsce istnieje 36 elektrowni o łącznej mocy 1008 MW, zasilanych wyłącznie biomasą, co daje drugie miejsce (po energii wiatrowej) pod względem zainstalowanej mocy wśród źródeł odnawialnych [2].

Niezależnie od głosów występujących przeciwko spalaniu czy współspalaniu biomasy, w związku z realizacją założeń przepisów UE dotyczących wzrostu udziału odnawialnych źródeł energii, należy spodziewać się w kolejnych latach wzrostu ilości spalanej biomasy, a w konsekwencji, również ilości popiołów, które trzeba będzie zagospodarować. O ile w przypadku popiołów węglowych, głównym sposobem ich zagospodarowania jest wykorzystanie w budownictwie i drogownictwie, o tyle w przypadku popiołów ze spalania biomasy nie jest to takie oczywiste, ze względu na ich odmienny skład. Szczególnie niekorzystna jest zawartość fosforu w popiołach, w ilości przekraczającej dopuszczalną wartość, określoną w normie EN-450-1 jako 100 mg rozpuszczalnych fosforanów (P2O5) na kilogram popiołu. Wysoka zawartość jonów fosforanowych powoduje spowolnienie hydratacji oraz wydłużenie czasu wiązania betonu, a także obniżenie jego wytrzymałości [4].

Biorąc pod uwagę, że fosfor i potas to substancje pokarmowe roślin zaliczane do makroskładników, czyli tych, na które rośliny wykazują zapotrzebowanie w znacznych ilościach, wydaje się oczywiste, że popioły zawierające te składniki powinny zostać zawrócone do środowiska (obieg zamknięty). Do niedawna jednak w Polsce nie było to możliwe…

Odpady ze spalenia biomasy dopuszczone do odzysku

Do 2015 roku popioły ze spalania biomasy nie mogły być zagospodarowane zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 5 kwietnia 2011 r. w sprawie procesu odzysku R10. Według tego rozporządzenia, metodą odzysku R10, czyli polegającą na zagospodarowaniu odpadu poprzez rozprowadzenie go na powierzchni ziemi, można zagospodarować popioły lotne z drewna niepoddanego obróbce chemicznej, jak również odpady pochodzące ze spalania słomy w kotłowniach zakładowych i gminnych, pod warunkiem, że odpady te spełniają wymagania dotyczące dopuszczalnych wartości zanieczyszczeń określonych dla nawozów wapniowych i wapniowo-magnezowych (wg Rozporządzenia Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 18 czerwca 2008 r. w sprawie wykonania niektórych przepisów ustawy o nawozach i nawożeniu), a popioły powstałe ze spalania biomasy w większości przypadków tego warunku nie spełniają.

W 2015 roku pojawiło się Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 stycznia w sprawie odzysku R10 określające warunki odzysku w procesie odzysku R10 oraz rodzaje odpadów dopuszczonych do takiego odzysku. Według tego rozporządzenia, jednym z rodzajów odpadów mineralnych, dopuszczonych do procesu odzysku R10, są odpady pochodzące ze spalania biomasy, w rozumieniu przepisów wydanych na podstawie art.146 ust. 3 ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska. Dzięki temu dokumentowi, popioły mogą być wykorzystywane do rekultywacji terenów.

Popioły jako cenne źródło składników pokarmowych dla roślin

Planowane przez UE włączenie tych popiołów jako składników produktów nawozowych daje nietylko możliwość zagospodarowania dużej ilości odpadów, ale także wykorzystania ich do wytworzenia wartościowych produktów. Ale czy kierunek wykorzystania popiołów proponowany przez UE w rzeczywistości rozwiąże problem zagospodarowania tego typu produktów ubocznych?

Z analizy składu popiołów powstających w wyniku spalania i współspalania biomasy w krajowych elektrowniach i elektrociepłowniach wynika, że popioły stanowią przede wszystkim źródło takich składników pokarmowych dla roślin, jak: potas, wapń i magnez. Fosfor jest w nich zawarty w znacznie mniejszych ilościach, a co ważne, tylko część jego zawartości całkowitej stanowi fosfor przyswajalny dla roślin. W celu efektywnego wykorzystania zawartego w tych popiołach fosforu przez rośliny, muszą one zostać poddane uprzedniej obróbce chemicznej.
 
Fosfor

Stosunkowo niska zawartość fosforu w popiołach w porównaniu do kopalnianych surowców fosforowych (25-35% P2O5) [5] wymusza konieczność stosowania dużej ilości popiołów dla dostarczenia roślinom odpowiedniej ilości składnika pokarmowego, co z kolei zagraża wprowadzeniu do gleby wraz z nimi znacznych ilości metali ciężkich.

Kadm i ołów

Z analizy popiołów z polskich elektrowni/elektrociepłowni spalających i współspalających z węglem biomasę wynika, że mogą one zawierać bardzo duże ilości kadmu i ołowiu. Spowodowane jest to między innymi faktem, że do uprawy roślin przeznaczonych na cele energetyczne stosuje się osady ściekowe z dużą zawartością tych zanieczyszczeń. 

Potas, magnez, wapń

Popioły ze spalania biomasy drzewnej i agro zawierają znacznie większe ilości potasu, wapnia i magnezu niż fosforu. Zawartość potasu dochodzi niekiedy do 30-40% masowych K2O, z czego znaczna część jest rozpuszczalna w wodzie. Zastosowanie popiołów jako źródła potasu stanowi więc alternatywę dla standardowych nawozów potasowych (KCl, K2SO4), których ceny wahają się odpowiednio w przedziale 154-192 euro/tonę oraz 420-460 euro/tonę.

Zawartość wapnia i magnezu w popiołach oraz ich silnie alkaliczny charakter sugerują możliwość wykorzystania ich jako środków wapnujących, tak pożądanych zwłaszcza na kwaśnych glebach polskich. Parametry charakteryzujące odkwaszające właściwości środków wapnujących, takie jak liczba zobojętnienia czy reaktywność, są znacznie niższe niż dla standardowych środków wapnujących, a ilość kadmu i ołowiu, w odniesieniu do kilograma zawartego w popiołach CaO czy CaO+MgO, często znacznie przewyższa wartość dopuszczalną według obowiązującego w kraju rozporządzenia.

Obróbka osadów ściekowych

Znacznie bogatszym źródłem fosforu są produkty powstałe w wyniku termicznej obróbki osadów ściekowych. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 16 lipca 2015 r. w sprawie dopuszczania odpadów do składowania na składowiskach, od 2016 roku nastąpił zakaz składowania na składowiskach wysokokalorycznych odpadów, powyżej 6000 kJ/kg s.m., w tym między innymi osadów ściekowych. Przepis ten wymusił zwiększenie ilości spalanych odpadów, z których może zostać wytworzona energia elektryczna i ciepło.

Obecnie w kraju jest 11 spalarni osadów z oczyszczalni ścieków komunalnych, o łącznej wydajności około 160 tys. Mg osadów na rok [6]. Popioły te mogą zawierać nawet około 30% masowych P2O5, co jest porównywalne do zawartości fosforu w fosforytach, chociaż przyswajalność tego fosforu dla roślin jest niska i wymagane jest przeprowadzenie procesów zwiększających tę dostępność.

Dodatkowym ograniczeniem zastosowania popiołów ze spalania osadów ściekowych jest zawartość w nich żelaza i glinu, co znacznie ogranicza możliwość nawozowego wykorzystania zawartego w nich fosforu. Ze względu na obecność zanieczyszczeń, opracowywane są obecnie metody ekstrakcji fosforu z popiołów.

*** Obecnie, popioły ze spalania osadów ściekowych są wyłączone z zakresu prac grupy roboczej STRUBIAS. Włączenie tej tematyki jest jednak nieuniknione w przyszłości, ze względu na spodziewany wzrost strumienia wytwarzanych ścieków w związku ze zmianą stylu życia społeczeństwa, jak również ze wzrostem liczby ludności podłączonej do sieci kanalizacyjnej, a z drugiej strony – wyczerpywanie się naturalnych złóż surowców fosforowych.
 

Artykuł został również opublikowany w nr 2/2018 magazynu "Chemia Przemysłowa"