Uvolňování dusíku a fosforu z termicky upraveného čistírenského kalu

Bc. Sára Trejbalová

Master's thesis

The Release of Nitrogen and Phospohorus from Thermaly Treated Sewage Sludge

Anotácia:

V současné době dochází k neustálému nárůstu produkce čistírenského kalu z důvodu zvýšené urbanizace a rozvoje městských oblastí a snahy zlepšovat kvalitu povrchových vod. Čistírenský kal je odpadní produkt, který vzniká při čištění odpadních vod v čistírnách a obsahuje širokou škálu organických i anorganických látek a může představovat riziko pro životní prostředí, pokud není řádně zpracován nebo odstraněn. Přestože čistírenský kal obsahuje mnoho škodlivých látek, jako jsou těžké kovy nebo organické sloučeniny, má také potenciál k pozitivnímu využití. Jedním z efektivních způsobů zpracování čistírenského kalu je jeho termická úprava na biouhel. Tento proces umožňuje přeměnu odpadního materiálu na užitečný produkt s mnoha pozitivními vlastnostmi. Biouhel, bohatý na uhlík a živiny, může sloužit jako alternativa k tradičním hnojivům a přispět k ekologičtějšímu využití čistírenského kalu. V rámci této diplomové práce jsme v nádobovém pokusu zkoumali vliv aplikace upraveného čistírenského kalu pyrolýzou na tvorbu biomasy ječmene jarního a akumulaci dusíku a fosforu v nadzemní biomase rostlin. Chování kalu jsme porovnávali s rostlinami hnojenými minerálními hnojivy. Dále jsme se zaměřili na hodnocení vlivu této úpravy na přístupnost půdního fosforu rostlinám ve srovnání s variantami ošetřenými minerálními hnojivy. Dále jsme sledovali jak jednotlivé varianty hnojení ovlivňovaly hodnotu pH půdy. Pro realizaci experimentu jsme využili dva různé typy půd, kambizem a fluvizem, a aplikovali jsme různé varianty hnojení. Ty zahrnovaly biouhel z čistírenského kalu, trojitý superfosfát, kontrolní variantu s přídavkem dusíku a kontrolní variantu bez hnojení. Následně byly získané výsledky aplikace biouhlu z čistírenského kalu statisticky vyhodnoceny, porovnány s použitými hnojivy, nehnojenou kontrolní variantou a s dostupnou odbornou literaturou. Na základě našich výsledků můžeme konstatovat, že termicky upravený čistírenský kal má vliv na celkový výnos biomasy a uvolňování dusíku a fosforu. Významné změny jsme zaznamenali i v hodnotách pH půdy, kde použití biouhlu z čistírenského kalu vedlo ke zvýšení pH na půdě kambizem a mírnému poklesu pH na půdě fluvizem. Co se týče celkového výnosu na půdě Žamberk (kambizem), nejvyšší hodnoty byly dosaženy u varianty s biouhlem z čistírenského kalu. Na půdě Cítov (fluvizem) byl nejvyšší výnos biomasy dosažen u varianty hnojené biouhlem z čistírenského kalu, avšak statisticky se nelišil od ostatních variant. V případě odběru dusíku (N) rostlinou biomasou jsme na půdě Žamberk (kambizem) zaznamenali významně vyšší odběr dusíku při použití trojitého superfosfátu a kontrolní varianty s přídavkem dusíku. Na půdě Cítov (fluvizem) jsme zaznamenali vyšší příjem dusíku při použití trojitého superfosfátu a biouhlu z čistírenského kalu. V hodnocení odběru fosforu (P) rostlinami jsme zjistili, že nejvyšší odběr fosforu byl dosažen při použití trojitého superfosfátu. Zaznamenali jsme také nejvyšší hodnoty přístupného obsahu fosforu v půdním roztoku při použití trojitého superfosfátu a biouhlu z čistírenského kalu. Výsledky naznačují, že biouhel z čistírenského kalu může úspěšně nahradit fosforečná hnojiva a tím snížit jejich spotřebu. Z dlouhodobého hlediska mohou odpadní materiály, jako je termicky upravený čistírenský kal, přispívat k dodání nezbytných živin do půdy a zlepšovat půdní vlastnosti pro udržitelné pěstování plodin.

Abstract:

Currently, there is a constant increase in the production of sewage sludge due to increased urbanization and development of urban areas and efforts to improve the quality of surface water. Sewage sludge is a waste product that results from wastewater treatment in sewage treatment plants and contains a wide range of organic and inorganic substances and can pose a risk to the environment if not properly treated or disposed of. The thermal treatment of sewage sludge into biochar has proven to be an effective way of processing it, which enables the transformation of waste material into a useful product with many advantages. As part of this diploma thesis, we investigated the effect of treatment of sewage sludge by pyrolysis on the formation of spring barley biomass and the accumulation of nitrogen and phosphorus in the above-ground biomass of plants, compared to plants fertilized with mineral fertilizers. Furthermore, we focused on evaluating the effect of this treatment on the accessibility of soil phosphorus to plants in comparison with variants treated with mineral fertilizers. In a container experiment, we tested the effect of biochar from sewage sludge on the yield of grain and straw of spring barley, uptake of phosphorus and nitrogen by plant biomass, and the content of available phosphorus in the soil after harvesting plants. Furthermore, we analyzed how individual fertilization variants influenced the pH value of the soil. For the implementation of the experiment, we used two different types of soil, cambise and fluvise, and we applied different versions of fertilization. These included sewage sludge biochar, triple superphosphate, a control variant with added nitrogen and a control variant without fertilization. The results of applying sewage sludge biochar were then compared with fertilizers used, unfertilized control, and available professional literature. Based on our results, we can state that thermally treated sewage sludge has an effect on the total yield of biomass and the release of nitrogen and phosphorus. We also noticed significant changes in soil pH values, where the use of biochar from sewage sludge led to an increase in soil pH with cambium and a slight decrease in soil pH with fluviz. As for the total yield on the Žamberk soil (cambiz), the highest values were achieved with the variant with biochar from sewage sludge. On the Cítov soil (fluviz), the highest biomass yield was achieved with the variant fertilized with biochar from sewage sludge. In the case of nitrogen (N) removal by plant biomass, we recorded a significantly higher nitrogen removal on the Žamberk soil (cambizum) when using triple superphosphate and the control variant with added nitrogen. On the soil of Cítov (fluviz) we recorded a higher uptake of nitrogen when using triple superphosphate and biochar from sewage sludge. In the assessment of phosphorus (P) uptake by plants, we found that the highest uptake of phosphorus was achieved when triple superphosphate was used. We also recorded the highest values of accessible phosphorus content in the soil when using triple superphosphate and sewage sludge biochar. The results indicate that biochar from sewage sludge can successfully replace phosphorus fertilizers and thereby reduce their consumption. In the long term, waste materials such as sewage sludge can contribute to the retention of essential nutrients in the soil, improving soil properties for sustainable crop production.

Kľúčové slová

čistírenský kal, pyrolýza, biouhel, jarní ječmen, dusík, fosfor

Keywords

sewage sludge, pyrolysis, biochar, spring barley, nitrogen, phosphorus

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 25. 4. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 21. 5. 2024
• Vedúci: prof. Ing. Pavel Tlustoš, CSc. dr. h. c.
• Oponent: Eva Richtrová, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Waste Technology