Vyhlášení celého území ČR citlivým územím z pohledu aplikace směrnice 91/271/EHS nebo striktní vyžadování limitů odtoku z komunálních čistíren odpadních vod tak, aby bylo dosaženo tzv. dobrého stavu vod bez ohledu na uplatňování rovného přístupu ke všem zdrojům znečištění pro daný tok či reálným možnostem procesu čištění nutí provozovatele čistíren odstraňovat dusík, fosfor nebo organické látky až k nesmyslně nízkým hodnotám. To je sice technicky proveditelné, ovšem za použití většího množství energie, chemikálií nebo významného zvýšení kapacity zařízení. Problém se tak nevyřeší, ale pouze přenese. Energie, chemikálie nebo železobeton pro stavbu větších nádrží musely být pochopitelně někde vyrobeny, dopraveny a v souvislosti s tím byly vypuštěny emise do vody, vzduchu a půdy, spotřebovaly se zdroje energie i primární suroviny. Paradoxně tak snížení znečištění vypouštěné vody nemusí životnímu prostředí nutně prospět. Posuzování životního cyklu produktu je metoda v ČR stále ještě nová, dá se ale předpokládat, že v budoucnu bude nabírat na důležitosti. V tomto článku budou představeny 2 příklady použití metod zabývajících se posouzením uhlíkové stopy a analýzou LCA, které jistě napomohou odborné i laické veřejnosti vnímat souvislosti.
Analýza životního cyklu a uhlíková stopa
Jedním z velmi vhodných komplexních způsobů, jak zjistit dopad konkrétní činnosti na životní prostředí, je analýza životního cyklu produktu (LCA). Tato metoda vychází z myšlenky cradle to grave tedy od kolébky do hrobu. Smyslem je posoudit dopad na různé kategorie životního prostředí během celého životního cyklu produktu tedy od získání primárních surovin, přes výrobu, vlastní užívání a konec užitné fáze produktu. Dopady na jednotlivé kategorie jsou dále normalizovány, tedy převedeny na porovnatelné jednotky. LCA není určena výhradně pro posuzování produktů vodohospodářské činnosti, ale jakéhokoliv produktu. Jednou z kategorií dopadu v LCA je globální oteplování a klimatické změny. Jeho indikátorem je potenciál globálního oteplování (GWP). Jde o měřítko potenciálního příspěvku látky (skleníkového plynu) k zadržování energie v atmosféře. Jednotkou je kg CO2 eq./kg. Z jednotky GWP vyplývá, že všechny skleníkové plyny mohou být vyjádřeny jako ekvivalent CO2.
Zjednodušením studie LCA a jejím zaměřením na kategorii dopadu globální oteplování vzniklo hodnocení tzv. uhlíkové stopy. Jde tedy o vyjádření materiálových a energetických potřeb jako ekvivalentu emisí CO2 vypuštěných do prostředí v souvislosti s životním cyklem produktu.
Uhlíková stopa
Společnost Veolia Voda začala od roku 2010 monitorovat uhlíkovou stopu společnosti, působících v ČR a na Slovensku a výsledkem je publikovaný přehled o celkových emisích, jejich rozdělení mezi jednotlivé společnosti a detailní analýza původu emisí z dílčích procesů výroby, distribuce, odkanalizování a čištění vod. Této zprávě předcházelo několik případových studií; mimo jiné i posouzení rekonstrukce úpravny vody („ÚV“) Souš metodou uhlíkové stopy (Bartoš et al., 2011).
Posouzení rekonstrukce ÚV Souš metodou uhlíkové stopy
Úpravna byla postavena v letech 1970-74. Zásobuje pitnou vodou cca 100 tisíc obyvatel z Liberecka (Jablonec, Tanvald, Smržovka, Harrachov). V roce 2008 a 2009 byla provedena rozsáhlá rekonstrukce celé úpravny. Šest pískových filtrů s mezidnem bylo nahrazeno drenážním systémem Leopold. Akumulace vyrobené vody byla zvýšena z původních 600 na cca 2500 m3. Proměnou prošlo i skladování a dávkování chemikálií. Unikátní řešení bylo provedeno na části kalového hospodářství, které teď tvoří prakticky samostatný technologický celek. Původně byly odpadní vody z úpravny vypouštěny do kalových lagun, kde se kal usazoval, následně čerpal a odvážel k dalšímu zpracování na ČOV. Toto řešení s sebou neslo provozní problémy. Kapacita laguny nebyla dostatečná. Společně s vodou odtékala do recipientu z laguny i část kalu, navíc kal odvážený na ČOV obsahoval i velké množství vody čímž se zvyšovaly náklady na dopravu.
Po rekonstrukci se odpadní vody nejprve shromažďují ve vyrovnávacích nádržích, dále je dávkován koagulant a flokulant. Kal je z vody separován na flotačních jednotkách, promíchán s flokulantem a odvodněn ve šnekovém lisu až na 15-20 % sušiny. Odsazenou vodu z flotačních jednotek je možno vypouštět do recipientu, nebo přidávat k surové vodě na začátku výroby.
Byla stanovena uhlíková stopa provozu úpravny za roky 2006, 2008 a 2010. Do výpočtu byla zahrnuta spotřeba energie, chemikálií a produkce odpadu. K výpočtu byl použit nástroj EC’Eau vyvinutý na technickém ředitelství Veolia Water v Paříži. EC’Eau využívá databáze emisních faktorů Ecoinvent a ADEME a je v první řadě určen k posouzení provozní uhlíkové stopy vodohospodářských společností. Protože hodnocení uhlíkové stopy je nový obor, pro lepší referenci byl obdobným způsobem proveden výpočet také pro některé další úpravny.
Obrázek 1 Uhlíková stopa vybraných úpraven
Samotné celkové množství emisí CO2 představuje údaj, relativně málo vypovídající o hospodaření úpravny, neboť neodráží množství vyrobené vody. Důležitější v tomto ohledu je měrná uhlíková stopa vztažená k objemu vyrobené vody kg eq. CO2 na 1 m3. Ani pak ale není vhodné posuzovat úpravnu bez přihlédnutí k místním podmínkám, vlastnostem surové vody nebo potřebě čerpání.
Můžeme ovšem porovnávat uhlíkovou stopu jedné úpravny v rámci několika let. V případě ÚV Souš je to rok 2006 jako referenční z doby před rekonstrukcí, 2008 z doby probíhající rekonstrukce a 2010 jako rok kdy již byla úpravna plně v provozu po rekonstrukci.
Obrázek 2 Uhlíková stopa ÚV Souš
Pro úpravnu vody, která prošla tak zásadní rekonstrukcí jako Souš, je nezanedbatelná uhlíková stopa samotné rekonstrukce. Ta byla vypočtena v programu CO tool, vyvinutém Veolia Water Solutions & Technologies. CO tool je spíše vhodný pro posouzení konkrétní investice. Podle výkazu výměr projektu byly vybrány nejdůležitější materiálové toky, jako je beton, ocel, písek, zemní práce, hydraulické a mechanické vybavení, elektronické vybavení, elektroinstalace. Je nutné poznamenat, že program pracuje se značným zjednodušením a relativně vysokým procentem nejistoty, které je dáno už samotnými emisními faktory z oficiálních databází (u některých emisních faktorů jako například chemikálie nebo mechanické vybavení je nejistota až 60 %)
Na začlenění uhlíkové stopy investic a obnovy vybavení do celkové uhlíkové stopy existuje řada rozdílných názorů. Obecný trend je rozdělit emise spojené s investicí a rozpočítat je poměrově po dobu předpokládané životnosti zařízení a staveb. Existuje i jiný pohled na věc, a to že výrobek z daného roku přispěje emisemi právě v daném roce a nikoliv průběžně, například během třiceti let. Tento postup je praktičtější a snižuje riziko nezapočtení části emisí z investice v některém z příštích let.
Jak je vidět ze srovnání provozu ÚV Souš v letech 2006, 2008 a 2010, uhlíková stopa provozu úpravny se po rekonstrukci mírně zvýšila. Na vině je zejména zvýšení spotřeby elektrické energie. Měření spotřeby energie na jednotlivých technologických celcích není detailně prováděno a není tedy možné přesně oddělit spotřebu procesu výroby pitné vody a úpravy kalu (kalového hospodářství). Podle výpočtu, založeného na kalkulované spotřebě strojního vybavení kalového hospodářství, množství přečerpávané vody, chodu šnekového kalolisu a spotřebě dalších menších spotřebičů vychází spotřeba kalového hospodářství asi 40 MWh/rok oproti téměř neexistující spotřebě před uvedením kalového hospodářství v provoz před rekonstrukcí. Celkový rozdíl ve spotřebě energie v roce 2006 a 2010 je asi 27 MWh/rok z této jednoduché bilance lze usuzovat, že energetická účinnost úpravny se po rekonstrukci zvýšila, její celková spotřeba energie ale stoupla právě díky spotřebě kalového hospodářství. Přestože množství odváženého kalu je výrazně menší, tato úspora není dostatečně velká, aby vykompenzovala zvýšenou spotřebu energie. Převedení elektrické energie a objemu produkovaného odpadu na srovnatelné jednotky, tedy t eq. CO2 umožňuje vyvodit závěr, že nová linka kalového hospodářství nemá, hodnoceno uhlíkovou stopou, pozitivní dopad na životní prostředí.
Uhlíková stopa jako způsob hodnocení dopadu životního cyklu výrobku na životní prostředí je významným, nikoliv však jediným faktorem analýzy životního cyklu (LCA). Pokud se skutečně zajímáme o to, jaký vliv na životní prostředí má naše činnost, je potřeba sledovat i další faktory a přisuzovat jim důležitost podle místních podmínek. LCA takový objektivní pohled přináší a může být v budoucnu skutečně pádným argumentem v případě rozhodování mezi tou či onou variantou.
LCA
Rozhodování o budoucí podobě pražské Ústřední čistírny odpadních vod (ÚČOV) vedlo k rozhodnutí posoudit varianty kalového hospodářství metodou LCA. Studie byla zpracována Doc. Kočím z VŠCHT Praha. Cílem studie bylo získat informace o surovinové náročnosti a emisích jednotlivých variant kalové koncovky. Posuzovány byly 4 varianty kalového hospodářství s cílem dosáhnout minimalizace objemu odváženého odpadu z prostoru ÚČOV. Funkční jednotkou byl jeden průměrný den provozu ÚČOV. Uvažována byla pouze provozní část. Investiční část do studie zahrnuta nebyla. V následujícím textu jsou tyto varianty blíže popsány.
1.1. Anaerobní stabilizace kalu Drasty
Zahuštěný přebytečný kal spolu s primárním kalem je čerpán do lokality Drasty, kde je umístěno standardní kalové hospodářství s vyhnívacími nádržemi. Kalový plyn je spalován v kogeneračních jednotkách za produkce elektrické energie. Vyhnilý, odvodněný kal je nákladními automobily odvážen k dalšímu zpracování.
1.2. Aerobní fermentace kalu a organických materiálů Drasty
Zahuštěný přebytečný kal spolu s primárním kalem je čerpán do lokality Drasty stejně jako v první variantě. Směs je odvodněna na sypnou konzistenci a smíchána s dodaným organickým materiálem (drcené větve, listí, štěpka atd.). Následuje proces kompostování. Výsledný produkt energetický kompost je odvážen nákladními automobily a určen ke spalování, možné je i využití kompostu jako hnojiva.
2.1. Anaerobní stabilizace kalu ÚČOV
Obdoba současného uspořádání kalové koncovky na ÚČOV, přebytečný kal je termicky lyzován. Tím se očekává zvýšení produkce bioplynu a zároveň významné snížení množství biomasy, která je převáděna na bioplyn a tedy nemusí být likvidována vně perimetru ÚČOV. Odvodněný vyhnilý kal je opět odvážen k dalšímu zpracování.
2.2. Mokrá oxická stabilizace kalu ÚČOV
Kompletní destrukce směsného surového kalu v areálu ÚČOV. Kapalný kal katalyticky oxidován kyslíkem za vysoké teploty a tlaku. Konečným produktem je vysušený technopísek vhodný jako podsypový materiál na stavbách. Proces negeneruje elektřinu ani teplo.
Dopad provozu jednotlivých variant na životní prostředí byl vztažen celkem k 10 kategoriím dopadu. Jsou to: půdní ekotoxicita, vznik fotooxidantů, úbytek stratosférického ozónu, humánní toxicita, uhlíková stopa, sladkovodní toxicita, eutrofizace, acidifikace, energetické suroviny a materiálové suroviny. Každá z kategorií je vyjádřena vlastní jednotkou. Například jednotkou uhlíkové stopy jsou kg eq. CO2 jak už bylo výše zmíněno. Jednotkou acidifikace je kg eq. SO2. Je tedy velmi složité porovnat mezi sebou jednotlivé varianty na základě porovnání kategorií dopadu, aniž by se tyto převedly na stejné jednotky. Z tohoto důvodu se ve studii použila tzv. normalizace. Jde o převedení výsledků každé kategorie dopadu posuzovaného produktu na celkový podíl environmentálního dopadu dané kategorie v rámci časové a místní jednotky. Číselný význam normalizovaných hodnot je následující. Každá varianta je podíl dané varianty kalové koncovky na celoevropských dopadech v dané kategorii dopadu za jeden rok. Záporné hodnoty pak znamenají, že produkt situaci v dané kategorii dopadu fakticky vylepšuje, díky recyklaci surovin nebo energie.
Obrázek 3 Porovnání variant kalového hospodářství na pražské ÚČOV
Vyhodnocení výsledků studie
Z grafu vychází jako environmentálně nejšetrnější varianta 2.1, tedy anaerobní stabilizace kalu na ÚČOV s termickou lyzací. Výrazné záporné hodnoty v kategorii acidifikace souvisí s energetickým mixem ČR, ve kterém mají hlavní podíl hnědouhelné elektrárny, substitucí takové energie za energii z bioplynu jsou automaticky sníženy emise SO2. Energeticky náročný proces mokré oxidace (varianta 2.2) ze stejných příčin dosahuje vysokých hodnot jak v acidifikaci, tak v uhlíkové stopě a úbytku energetických surovin. Výrazné negativní hodnoty u kategorie energetických surovin ve variantě 1.2 aerobní stabilizace kalu na Drastech je dosaženo ziskem energie ze spalování biomasy, kompostované směsi kalu a přidaného organického materiálu. Technicky je pochopitelně možné spalovat i vyhnilý odvodněný kal. V současné době, ale tato možnost naráží zejména na legislativní překážky a nebylo tedy uvažováno se spalováním kalu pro ostatní varianty. Určité zkreslení analýzy souvisí s tím, že do studie byla zahrnuta pouze provozní data. Obě první varianty potřebují ke své realizaci investičně, materiálově a energeticky velmi náročný kolektor o délce 10 km spojující pražskou ÚČOV s Drasty. Zahrnutí investiční části do studie, by ale nezpůsobilo výraznou změnu ve výsledcích, naopak by přispělo ve prospěch varianty 2.1. Vlastní hodnocení uhlíkové stopy investiční části díla představuje výzvu do dalšího období, které si je skupina Veolia Voda vědoma a kde připravuje řadu dalších kroků. Jedním z prvních kroků je již zpracování Carbon Footprint analýzy pro veškeré technologie, které skupina celosvětově dodává.
Závěr
Po analýze údajů z reálného provozu ÚV Souš je možné konstatovat, že samotná rekonstrukce ÚV Souš má z pohledu uhlíkové stopy pozitivní dopad na životní prostředí, avšak linka kalového hospodářství svou energetickou náročností celkový dopad na životní prostředí značně zhoršuje a to přesto, že nová linka kalového hospodářství umožnila významné snížení množství likvidovaného odpadu. Hodnocení pomocí uhlíkové stopy v tomto případě pomohlo zjistit celkový dopad procesu, který snižuje množství produkovaného odpadu za cenu zvýšení energetické náročnosti. Tyto faktory jsou obtížně porovnatelné a celkový dopad na životní prostředí z nich může být vyvozen až po jejich převodu na porovnatelné jednotky, například emise eq. CO2.
Zhodnocení variant kalového hospodářství na pražské ÚČOV metodou LCA přineslo cenné poznatky o dopadu jednotlivých variant na životní prostředí i důležité argumenty v rozhodovací fázi projektu rekonstrukce ÚČOV. Varianta s nejnižším dopadem do životního prostředí v této studii je ekologicky šetrná a zároveň i finančně výhodná. Přitom tyto efekty jsou dnes často vnímány jako neslučitelné.
Hodnocení životního cyklu výrobku i uhlíková stopa jako jeho zjednodušená forma vrhají na investiční rozhodnutí nové světlo a do budoucna je možno počítat s jejich širším použitím.
Literatura
Beneš, O. (2011). Plnění požadavků směrnice 91/271/EHS o čištění městských odpadních vod v zemích Evropské unie, SOVAK, 4/2011.
Kočí, V. (2009). Posuzování životního cyklu Life Cycle Assessment – LCA, Ekomonitor 2009
Bartoš, L., Rainiš, L., Vlček, L., Švec, L. a Beneš, O. (2011). Konkrétní příklad optimalizace úpravny pitné vody a využití nástrojů Benchmarkingu a Carbon Footprint, sborník přednášek konference Voda Zlín 2011.
Kočí, V. (2010). Posouzení životního cyklu kalové koncovky Ústřední čistírny odpadních vod Praha, studie.
Zdroj: Lukáš Vlček
(redakčně kráceno)
Zdroj: Lukáš Vlček (redakčně kráceno)
