Komunalni mulj kao vrijedan resurs u kružnoj ekonomiji – novi načini primjene i oporabe

Autor:

Kategorija:

spot_img

Rastuće količine komunalnog mulja predstavljaju sve veći ekološki izazov diljem svijeta. Razvoj okolišno i ekonomski prihvatljivih metoda za održivo gospodarenje muljem ključan je za rješavanje ovog problema. Tradicionalne metode zbrinjavanja mulja, poput odlaganja i kompostiranja, sve se više nadopunjuju ili zamjenjuju alternativnim pristupima koji se fokusiraju na oporabu energije i vrijednih resursa iz mulja. 

Ovaj pregledni rad predstavlja najnovije trendove u iskorištavanju mulja kao vrijedne sirovine za dobivanje raznih korisnih proizvoda. Članak se posebno osvrće na oporabu struvita kao izvora fosfora i dušika, ekstrakciju alginatima sličnih polimera i huminskih tvari iz mulja, te pirolizu mulja u svrhu dobivanja biougljena. Cilj je doprinijeti razvoju održivih praksi gospodarenja muljem i promociji principa kružne ekonomije u području obrade otpadnih voda.

Oporaba fosfora i dušika iz mulja

Fosfor i dušik su esencijalni nutrijenti u poljoprivredi, no dok je atmosferski dušik praktički neiscrpan, rezerve visokokvalitetnih fosfatnih ruda ubrzano se troše. S druge strane, značajne količine ovih nutrijenata završavaju u komunalnim otpadnim vodama i mulju. Stoga je oporaba fosfora i dušika iz mulja vrlo perspektivan način zatvaranja kruga nutrijenata.

Taloženje struvita je jedna od najčešće korištenih metoda za oporabu fosfora iz mulja i otpadne vode. Struvit (MgNH4PO4·6H2O) je relativno čist talog s visokim sadržajem fosfora i dušika te malo nečistoća, što ga čini potencijalnim “zelenim” gnojivom. Može se oporabiti direktno iz mulja ili iz tekuće frakcije digestata nakon dehidracije. Iako je oporaba iz tekuće faze jednostavnija, direktna oporaba iz mulja ima prednost veće količine oporabljenog fosfora. Faktori poput pH, koncentracije magnezija i svojstava mulja utječu na učinkovitost procesa.

Studije pokazuju da je oporabom struvita moguće ukloniti i do 90% topivog fosfora iz mulja i digestata, te smanjiti volumen dehidriranog mulja za 3-4%. Procjenjuje se da u Europi postrojenja za obradu otpadnih voda godišnje oporabe 15,000 tona struvita. U Japanu je oporaba struvita implementirana u punoj skali, s kapacitetom od 239 m3 digestiranog mulja dnevno i učinkovitošću oporabe 40% ukupnog i 90% topivog fosfora.

Stripiranje amonijaka i bioelektrokemijske metode pokazale su se učinkovitima za oporabu dušika iz mulja i tekućina nakon dehidracije. Ove tehnologije iskorištavaju fizikalno-kemijske principe ili aktivnost elektroaktivnih bakterija za koncentriranje amonijevih iona iz otpadnih struja. Oporabljeni amonijak može se vezati u amonijeve soli apsorpcijom u kiselim otopinama. U pilot studiji s povratnom vodom iz dehidracije mulja, postignut je kapacitet oporabe dušika od 965 gN/m3/dan, uz koncentriranje amonijaka do čak 7.5 puta.

Oporaba alginatima sličnih polimera iz mulja

Aerobni granularni mulj (AGS) vrlo je bogat izvanstaničnim polimernim tvarima (EPS), čiji su važan sastojak alginatima slični egzopolimeri (ALE). Ovi polisaharidi, sastavljeni od β-D-manuronske i α-L-guluronske kiseline, dosad su dobivani isključivo iz smeđih algi. No budući da AGS sadrži i do 25% ALEa u suhoj tvari, može postati njihov alternativni izvor.

Prinosi ALEa iz AGS-a ovise o raznim procesnim parametrima, poput organskog opterećenja, C:N omjera, saliniteta i starosti mulja. Laboratorijska istraživanja pokazala su da se iz AGS-a može ekstrahirati 0.11-0.23 gALE/gVSS, dok se u pilot studijama s realnim komunalnim otpadnim vodama postižu prinosi 0.21-0.24 gALE/gSS. Ekstrakcija ALEa natijevim karbonatom na visokim temperaturama daje najbolje rezultate.

Oporaba ALEa u punom mjerilu započela je 2019. u nizozemskom gradu Zutphenu, gdje se iz 80 kg AGS-a dobiva 18 kg ALEa, s očekivanom godišnjom proizvodnjom od 400 tona. Drugo postrojenje s kapacitetom 50-100 tona “neoalginata” godišnje otvoreno je 2020. u Epeu. Procjenjuje se da bi postrojenje s protokom od 3 m3/s moglo oporabiti oko 1 tonu ALEa dnevno, uz prihod od 365-730 tisuća eura godišnje. 

Zbog svojstava poput netoksičnosti, biokompatibilnosti i sposobnosti geliranja, ALE iz mulja imaju raznolike potencijalne primjene u farmaceutskoj, kozmetičkoj, prehrambenoj i drugim industrijama, kao i u medicini, zaštiti okoliša i poljoprivredi.

Huminske tvari u mulju

Komunalni mulj, osobito nakon kompostiranja ili anaerobne digestije, važan je izvor huminskih tvari (HT). Ove složene organske makromolekule tradicionalno se dijele na huminske kiseline (HK), fulvokiseline (FK) i humine. Udio HT-a u mulju varira, ovisno o vrsti mulja i obradi, od 2% do 7%, uz omjer HK/FK 0.3-3.0.

Tijekom kompostiranja mulja dolazi do značajnog porasta koncentracije HT-a, pogotovo HK, uslijed razgradnje složenijih spojeva poput lignina, celuloze i proteina. Zreli kompost može sadržavati i do 300 mgC/gOM huminskih tvari. Anaerobna digestija favorizira nastanak FK u odnosu na HK.

Elementni sastav, molekulska masa i funkcionalne grupe važna su svojstva HT-a koja određuju njihovo ponašanje i funkcije. HK iz mulja sadrže nešto manje ugljika, a više dušika i sumpora u usporedbi s HK iz tla. Vrijednosti H/C omjera i O/H omjera ukazuju na niži stupanj aromatizacije i humifikacije HK iz mulja u odnosu na one iz tla. Većina HK i FK iz mulja ima molekulske mase u rasponu 30-100 kDa, odnosno <50 kDa.

Primjena kompostiranog mulja u poljoprivredi atraktivna je opcija zbog visokog udjela stabilne organske tvari i nutrijenata koji obogaćuju tlo. No zbog potencijalno štetnih tvari u mulju, sve se više ispituje izdvajanje čistih HT-a iz mulja za primjenu u remedijaciji tala. HT mogu tvoriti komplekse s teškim metalima i tako smanjiti njihovu mobilnost i biopristupačnost u onečišćenom tlu. Stoga se HT iz mulja, čak i onog s povišenim koncentracijama metala, mogu koristiti kao “zeleni” agensi za ispiranje tala.

Piroliza mulja u biougljen 

Termokemijska obrada mulja, pogotovo piroliza, u fokusu je istraživanja zbog mogućnosti istovremene stabilizacije mulja, oporabe energije i proizvodnje biougljena kao vrijednog nusprodukta. Piroliza je proces toplinske razgradnje organske tvari u odsustvu kisika, na temperaturama 300-700°C. Produkti su biougljen, sintetski plin i bio-ulje.

Prinos i svojstva biougljena ovise o parametrima pirolize, poput brzine zagrijavanja, konačne temperature i vremena zadržavanja. Spora piroliza na nižim temperaturama i duljim vremenima zadržavanja pogoduje nastanku biougljena, dok brza piroliza i visoke temperature favoriziraju tekuće i plinovite produkte.

Biougljen iz mulja odlikuje se visokim udjelom pepela (40-80%), zbog koncentriranja anorganskog dijela tijekom pirolize. Poroznost i specifična površina rastu s temperaturom, no znatno su manje nego kod komercijalnih aktivnih ugljena zbog začepljenja pora. Piroliza povećava alkalitet mulja i električni konduktivitet biougljena.

Udio organskog ugljika u biougljenu pada s porastom temperature, no raste njegov stupanj aromatičnosti i kondenziranosti, što indiciraju parametri poput H/C i O/C omjera. Pri temperaturi 500-600°C, H/C omjer biougljena iz mulja često je manji od 0.4, što ukazuje na njegov visoki stupanj karbonizacije.

Najznačajniji problem biougljena iz mulja je pojava štetnih tvari poput teških metala i PAH-ova. Udjeli metala rastu s temperaturom zbog koncentriranja anorganske tvari, no istovremeno se smanjuje njihova mobilnost, odnosno prelazak u bioraspoložive i ispirljive frakcije. Tako biougljen proizveden na 600°C sadrži gotovo 80% metala u stabilnim, rezidulanim frakcijama. Koncentracije PAH-ova u biougljenu iz mulja također su uglavnom ispod graničnih vrijednosti od 4-6 mg/kg.

Glavne potencijalne primjene biougljena iz mulja uključuju sorpciju onečišćujućih tvari iz okoliša, poboljšanje kvalitete tla, sekvestraciju ugljika i katalizu. Zbog specifičnih svojstava poput visoke površine i poroznosti, prisustva funkcionalnih skupina i alkalnosti, biougljen iz mulja pokazao se kao učinkovit, ekonomičan i ekološki prihvatljiv sorbent za teške metale, boje, antibiotike i druge onečišćujuće tvari iz vode i otpadnih voda. Obogaćivanje biougljena solima metala ili heteroatomima daje mu katalitička svojstva koja se mogu iskoristiti primjerice u naprednim oksidacijskim procesima ili proizvodnji biodizela.

Primjena biougljena kao dodatka tlu doprinosi sekvestraciji ugljika, poboljšanju plodnosti i strukture tla te smanjenju emisija stakleničkih plinova. Visok CEC, alkalnost i poroznost biougljena pomažu zadržavanju vode i nutrijenata u tlu. Uz pažljivo doziranje i prethodnu karakterizaciju, biougljen može ublažiti kiselost tla i dovesti do boljeg rasta i prinosa usjeva.

Biougljen iz mulja sadrži i visoke koncentracije biljnih nutrijenata (N, P, K, Ca, Mg) što ga čini pogodnim za primjenu kao organskog gnojiva. Ipak, slabija dostupnost dušika može biti ograničavajući faktor, pa se preporučuje kombiniranje s drugim dušičnim gnojivima.

Zaključak

Komunalni mulj iz sustava obrade otpadnih voda skriva značajan, još uvijek nedovoljno iskorišten potencijal kao sirovina u kružnoj ekonomiji. Oporaba struvita, alginatnih polimera, huminskih tvari i proizvodnja biougljena samo su neki od mogućih načina materijalne i energetske valorizacije mulja. Pritom treba uzeti u obzir specifični sastav i svojstva mulja, prilagoditi procesne parametre i paziti na prisutnost potencijalno štetnih tvari.  

Da bi ove tehnologije postale komercijalno održive, potrebna su daljnja istraživanja i unaprjeđenja na znanstvenoj, regulatornoj i ekonomskoj razini. Dodatnu vrijednost upotrebe mulja kao sirovine čine smanjenje njegovog štetnog utjecaja na okoliš i zdravlje te smanjenje potrebe za odlaganjem. Pristup prilagođen specifičnom sastavu svakog mulja i ciljanim nusproduktima ključan je za optimizaciju oporabe resursa uz minimalan negativni učinak.

Integracija principa kružne ekonomije i biogospodarstva, poticanje međusektorske suradnje i razvoj tržišta za proizvode i nusprodukte iz otpadnih tokova poput mulja, nužni su za tranziciju prema dugoročno održivim sustavima gospodarenja vodama i otpadom. Sve većim zatvaranjem tokova nutrijenata, energije i materijala, sustavi odvodnje i obrade otpadnih voda mogli bi se od nužnog troška pretvoriti u generatore dodane vrijednosti za društvo i gospodarstvo.

SAVJETODAVNI PARTNER

Pročitajte više

Povezani članci