Biogospodarka w mieście. Część II

W środowisku miejskim znajduje się znaczący potencjał odpadów organicznych. Sensowne jest zatem wydobycie wartości obecnej w tych strumieniach w postaci składników odżywczych, materiałów i energii, dzięki zastosowaniu zasad gospodarki o obiegu zamkniętym.

Odpady organiczne – od organicznej frakcji stałych odpadów komunalnych do ścieków płynących w systemach kanalizacji – są zwykle postrzegane, z ekonomicznego i środowiskowego punktu widzenia, jako kosztowny problem. Istnieje jednak możliwość zmiany tego myślenia poprzez zaprojektowanie takich systemów odzysku i przetwarzania, dzięki którym odpady organiczne zostaną zamienione w źródło wartości, przyczyniając się do odbudowy kapitału naturalnego.

Przywracanie składników odżywczych do gleby

Miejskie strumienie odpadów stanowią ważne źródło składników odżywczych, które można odzyskać i przywrócić do gleby. W teorii odzysk 100% azotu, fosforu i potasu z globalnych strumieni odpadów żywności oraz odpadów pochodzenia ludzkiego i zwierzęcego mógłby dać niemal trzy razy więcej składników odżywczych niż używane dziś nawozy sztuczne.

Istnieją już rozwiązania i technologie, np. kompostowanie i rozkład biologiczny, głównie beztlenowy, materiałów organicznych, które są implementowane w różnych miejscach i na różną skalę na całym świecie. W procesie kompostowania organizmy takie jak dżdżownice, grzyby i bakterie pomagają przekształcić materiał w humus, niezbędny składnik zdrowej, żyznej gleby. Innym rozwiązaniem jest fermentacja beztlenowa, w trakcie której mikroorganizmy rozkładają materiał biodegradowalny bez udziału tlenu. Obok produkcji energii odnawialnej jest to efektywny sposób wytwarzania nawozów organicznych bogatych w składniki odżywcze i materię organiczną.

Kompost i fermentat charakteryzują się różną zawartością składników odżywczych i dostępnością dla upraw. Korzystny wpływ wysoko jakościowego kompostu na gleby został szeroko udokumentowany. Jego zastosowanie podnosi poziom materii organicznej w glebie, poprawia retencję wodną i zwiększa aktywność biologiczną. Mniej szczegółowo zbadano długofalowy wpływ fermentatu, powstałego w wyniku fermentacji beztlenowej, bogatej w składniki substancji, na glebową materię organiczną i strukturę gleby. Ogólnie rzecz biorąc, kompost postrzegany jest jako posiadający najlepsze właściwości ulepszające glebę, jednakże fermentat nadaje się również do użytku jako bionawóz. Kompostowanie i fermentacja wykorzystywane są do przetwarzania zebranych odpadów organicznych w wielu miastach na świecie w różnych formach — od kompostowania przydomowego i społecznego do wielkoskalowych zakładów.

Rezerwy fosforanów

Nawozy fosforanowe uzupełniają glebowe braki fosforu wykorzystanego przez rośliny. Wraz z rozrostem światowej populacji wzrasta też zapotrzebowanie na żywność, co oznacza, że zwiększa się areał upraw i konsumpcja mięsa (które zostawia większy „ślad fosforowy” niż rośliny). W przeszłości obieg fosforu był zamknięty: ludzie i zwierzęta konsumowali żywność i wydalali odchody, które powracały do gleby, odżywiając ją i wspierając wzrost nowych upraw. Zmiany demograficzne, ekspansja miast i „nowoczesne” oczyszczanie ścieków przerwały ten cykl. Składniki odżywcze nie trafiają do gleby, ale do naturalnych zbiorników wodnych, siejąc spustoszenie w wodnych ekosystemach. Eksperci nie są zgodni co do wielkości naturalnych rezerw fosforanów, ale większość potwierdza, że są one coraz mniejsze (US Geological Survey szacuje, że rezerwy fosforu wystarczą na 80 lat). Cena fosforu w ostatnich latach była bardzo niestabilna – w 2008 r. wzrosła dziesięciokrotnie w ciągu kilku miesięcy.

Niezbędne jest bardziej holistyczne podejście do fosforu, umożliwiające domknięcie cyklu żywność – ludzie – gleba i zapobieżenie przedostawaniu się fosforu do wód. Odzyskiwanie fosforu ze ścieków mogłoby stać się częścią rozwiązania. Z kolei zbyt dużo azotu w odprowadzanym ścieku oczyszczonym może doprowadzić do wykwitu glonów, a w efekcie do niedoboru tlenu, zaduszenia organizmów morskich i powstania martwej strefy.

Ograniczenia w kontekście lokalnym mogą warunkować sposób, w jaki projektowane i eksploatowane są oczyszczalnie ścieków. W UE ilość fosforu odzyskiwanego z osadu ściekowego, mięsa, mączki kostnej i biodegradowalnych odpadów stałych wynosi niemal 30% stosowanych sztucznych nawozów fosforowych (z których 92% pochodzi z importu). Biorąc pod uwagę niski średni poziom odzysku odpadów organicznych w Europie (średnio 40% odpadów organicznych zbieranych w UE trafia na składowiska), zwiększenie stopy ich zbiórki mogłoby w znacznym stopniu usprawnić odzysk składników odżywczych i ograniczyć użycie nawozów syntetycznych.

Opłacalność odzysku

Jest wiele czynników ograniczających przywracanie składników odżywczych do gleby. Importowanie i eksportowanie nawozów oraz środków ulepszających glebę wytworzonych z odpadów organicznych może być utrudnione z powodu przepisów handlowych związanych z klasyfikacją produktów odpadowych. Rolnicy mogą nie zdawać sobie sprawy z pełnych korzyści, jakie daje stosowanie kompostów i fermentatów bazujących na odpadach organicznych (np. zwiększonej zawartości węgla i materii organicznej w glebie, lepszej struktury gleby i retencji wodnej) w porównaniu z nawozami sztucznymi. Zdecentralizowanie oczyszczania ścieków mogłoby znacznie zmniejszyć zużycie energii i ograniczyć koszty utrzymania kanalizacji, problemem jest jednak ekonomiczna opłacalność odzysku składników odżywczych na tak małą skalę. Poza tym mogą pojawić się problemy przy ocenie korzyści, jakie w tych samych warunkach dają różne sposoby oczyszczania ścieków. W Wielkiej Brytanii na dokonywane wybory wpłynęły zachęty podatkowe, gdzie otrzymuje się kredyt na produkcję energii odnawialnej, bo wyżej ceniona jest redukcja CO2 niż odzysk składników odżywczych.

Generowanie bioenergii

Paliwa kopalne dostarczają obecnie ponad 60% energii konsumowanej przez kraje OECD, podczas gdy energia generowana z odpadów stanowi tylko 1%. Mniej więcej 10% całkowitego globalnego zapotrzebowania na energię pierwotną pokrywane jest przez bioenergię. Większość tej energii konsumowana jest w krajach rozwijających się na potrzeby gotowania i ogrzewania przy użyciu wysoce niewydajnych metod, takich jak otwarty ogień czy proste piece kuchenne, które mają znaczący negatywny wpływ na zdrowie ludzi (zanieczyszczenie dymem) i środowisko (wylesianie). W 2012 r. na świecie wygenerowano łącznie 370 terawatogodzin (TWh) energii elektrycznej z bioenergii, co stanowi zaledwie 1,5% całkowitej wyprodukowanej elektryczności. Nie dość, że paliwa kopalne są zasobem wyczerpywalnym, to proces wytwarzania z nich energii pociąga za sobą znaczne negatywne oddziaływania, co zostało już dobrze zbadane i udokumentowane. Dla przykładu: węgiel reprezentuje mniej więcej 40% globalnej produkcji energii, zaś w 2014 r. odpowiadał za 46% globalnych emisji CO2. Jednym z głównych celów gospodarki o obiegu zamkniętym jest uczynienie zasobów odnawialnych wyłącznymi źródłami energii – czy to słonecznej, wiatrowej, hydroelektrycznej, czy też bioenergii. Odchodzenie od energii wytwarzanej z paliw kopalnych na rzecz źródeł odnawialnych dokonuje się już na szeroką skalę. W 2015 r. energia odnawialna stanowiła ponad połowę całkowitego rocznego dodatkowego wkładu w globalny potencjał energetyczny, przewyższając węgiel pod względem łącznej zainstalowanej mocy.

Generowanie bioenergii stwarza szanse dla zdecentralizowanej, niezależnej produkcji energii na różnych poziomach. Jest to szczególnie atrakcyjna opcja dla rynków wschodzących, pozbawionych adekwatnej centralnej infrastruktury energetycznej. Jak pokazują przykłady, produkcja bioenergii nie musi ograniczać się do obszarów zurbanizowanych. Biogazownie mogą z powodzeniem dostarczać energię dla farm i mieszkańców terenów wiejskich, korzystając z bliskości surowca.

Fermentacja beztlenowa może być stosowana dla szerokiej gamy materiałów organicznych (np. odpadów żywności), a w jej wyniku powstają biogaz i fermentat. Poza eliminowaniem produkcji energii opartej na paliwach kopalnych istotnym efektem stosowania fermentatów jest przywracanie składników pokarmowych do gleby, a tym samym zmniejszenie zapotrzebowania na nawozy sztuczne. Jak już wspomniano badania sugerują, że fermentaty podnoszą aktywność biologiczną gleb, dzięki czemu ich jakość zostaje zregenerowana.

Odzysk energii ze ścieków

Oczyszczanie ścieków odbywa się według tych samych podstawowych etapów: mechaniczne usunięcie części stałych, faza biologiczna, alternatywnie dezynfekcja i odprowadzenie ścieku oczyszczonego. Proces wymaga znacznych nakładów energii, które na przykład w Stanach Zjednoczonych szacuje się na 21 miliardów kilowatogodzin (kWh) rocznie (przy kosztach przekraczających 1,3 miliarda USD), czyli 0,5% całkowitego popytu. Około 70% zużywane jest na etapie bioreaktora do natleniania. Analiza energii chemicznej i cieplnej zgromadzonej w ściekach ujawnia jednak, że zawierają jej one więcej niż energia potrzebna do ich oczyszczenia. Około 80% z tej energii to ciepło niskiej jakości, którego odzysk nie jest łatwy. Mimo to, nawet jeśli pozostałe 20% zostanie przetworzone w biogaz, a następnie w energię elektryczną przy skuteczności konwersji na poziomie 40%, teoretycznie zakład wciąż mógłby posiadać dodatni bilans energetyczny. Jedno z amerykańskich badań wykazało, że wszystkie oczyszczalnie ścieków razem wzięte byłyby w stanie zaspokoić 10% krajowego zapotrzebowania na elektryczność! Obsługująca 350 tys. mieszkańców oczyszczalnia w Odense w Danii osiągnęła 110% samowystarczalności w zakresie energii elektrycznej, co oznacza, że produkuje więcej prądu niż go zużywa. Już teraz zidentyfikowano nowe sposoby optymalizacji wydajności, które mogą przynieść jeszcze lepsze rezultaty.

W skali makro Komisja Europejska oszacowała, że gdyby wszystkie odpady organiczne w UE były przetwarzane w energię, możliwe byłoby osiągnięcie ok. 2% całkowitego unijnego celu w zakresie energii odnawialnej.

Czy są ograniczenia?

Ograniczeniem w produkcji bioenergii jest to, że nowe bioprodukty nie mogą zostać w prosty sposób zintegrowane z istniejącymi łańcuchami dostaw. Na przykład bioetanol może być mieszany z paliwami konwencjonalnymi wyłącznie do 15% objętości. Włączanie biopolimerów do obecnych łańcuchów wartości polimerów również jest trudne, ponieważ mogą one posiadać różne właściwości. Poza tym subsydia dla paliw kopalnych zmniejszają konkurencyjność kosztową źródeł bioenergii.

Opłacalność biogazowni determinowana jest z jednej strony przez operatorów sieci energetycznych, którzy kupują generowaną przez nią elektryczność tylko w okresach zwiększonego zapotrzebowania zamiast w sposób ciągły, z drugiej zaś przez koszty sortowania zanieczyszczonych strumieni odpadów organicznych.

Biorafinerie

Mogą one stać się integralnymi elementami miejskich systemów zarządzania odpadami, odbierając organiczną frakcję stałych odpadów komunalnych (MSW) oraz strumienie ściekowe i przetwarzając je w cenne materiały i produkty. Możliwe jest stworzenie systemu rozwiązań dla obszarów zurbanizowanych o różnej skali, dopasowanych do warunków lokalnych, na przykład specyficznych potrzeb, charakterystyki infrastruktury zbierania odpadów czy zawartości pozyskiwanego materiału organicznego, która miałaby wpływ na decyzje produkcyjne. Surowce ze źródeł kopalnych wykorzystywane są w rafineriach ropy i petrochemiach do produkcji paliw, surowców chemicznych, tworzyw sztucznych i materiałów syntetycznych. Istotne możliwości mogłoby jednak przynieść zastąpienie ich odpadami organicznymi, w których da się wytwarzać gamę podobnych produktów. Jest to szczególnie znaczące w obliczu wyczerpywania się źródeł kopalnych i ich niestabilności cenowej.

Małe i średnie biorafinerie, zlokalizowane na obszarach miejskich w pobliżu źródła materiałów wejściowych, mają zarówno możliwości, jak i technologię niezbędne do urzeczywistnienia tej wizji. Przeprowadzone w Holandii badanie wskazało, że potencjalna wartość netto wykreowana dzięki implementacji sieci biorafinerii w Amsterdamie mogłaby wynieść w sumie 30 mln euro rocznie. Tego typu system pozwoliłby również na zmniejszenie emisji CO2 o 100 tys. ton i zaoszczędzenie 25 tys. ton materiałów.

Lokowanie rafinerii w sąsiedztwie istniejących zakładów, na przykład oczyszczalni ścieków, może okazać się bardzo korzystne ze względu na synergię i oszczędności w zakresie zbiórki, wstępnego przetwarzania i rafinacji, ale także, jak sugerują badania, na oszczędności kapitałowe rzędu 20-80%, zależnie od stopnia synergii. Liczne raporty pokazują wyliczenia potencjalnej wartości procesów biorafineryjnych, skupiając się zazwyczaj na konkretnych regionach geograficznych lub kategoriach produktów. Światowe Forum Ekonomiczne szacuje, że do 2050 r. potencjalne globalne przychody z łańcucha wartości biomasy (kombinacja wyprodukowanych rolniczych materiałów wsadowych, handlu biomasą oraz produktów biorafinerii) mogą wynieść nawet 295 mld dolarów. Stany Zjednoczone są w stanie wyprodukować 342 mld litrów biopaliw, które zastąpią ropę, co znaczy, że wraz ze zwiększeniem zasięgu pojazdy w tym kraju mogłyby do 2050 r. być napędzane wyłącznie biopaliwami. Czynnikiem ograniczającym nie jest podaż biomasy, ale raczej przywiązanie do infrastruktury naftowej, niskich cen ropy i brak politycznego zaangażowania.

Biorafinerie korzystają z szeregu technologii, takich jak obróbka termiczna, procesy biologiczne i konwersje enzymatyczne. Żeby przetwarzać wsad organiczny w wartościowe chemikalia i produkty, sięgają po wiele różnych rodzajów materiałów wsadowych, które ze względów użytkowych można podzielić na materiały pierwszej i drugiej generacji. Do pierwszej generacji zaliczają się materiały wytworzone z biomasy jadalnej, na przykład kukurydzy i trzciny cukrowej, druga generacja obejmuje natomiast wsady pochodzące z resztek niejadalnych części roślin uprawnych, strumieni odpadów organicznych oraz pozostałych źródeł nieprzeznaczonych do spożycia, takich jak algi. Szczególnym zainteresowaniem cieszy się druga generacja materiałów wsadowych, ponieważ z jednej strony pozwala na osiągnięcie maksymalnej wartości z dostępnej biomasy oraz przekształcenie odpadów w zasoby, z drugiej zaś zmniejsza konkurencję w dostępie do gruntów rolnych.

W miarę dojrzewania technologii biorafinerie będą produkować chemikalia i materiały o rosnącym stopniu złożoności, jako że „odpady” roślinne coraz częściej są uważane za atrakcyjną alternatywę dla zasobów kopalnych. W rezultacie zakłady te staną się prawdziwymi biorafineriami, wytwarzającymi poza zaawansowanymi biopaliwami całą gamę cennych produktów z materiałów wsadowych wcześniej postrzeganych i traktowanych jako odpady.

Potencjał do wykorzystania

Zmiana w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym niesie za sobą ogromne możliwości – od rozwoju rolnictwa regeneratywnego do produkcji alg wykorzystywanych w materiałach pochodzenia organicznego. Skupić się należy na możliwościach waloryzacji poużytkowych składników odżywczych i biomasy z obszarów zurbanizowanych poprzez zastosowanie dostępnych obecnie technologii. Przewiduje się, że do 2025 r. miasta będą wytwarzać 2,2 mld ton odpadów stałych rocznie, niemal dwukrotnie więcej niż w 2012 r. Obserwowane dzisiaj proporcje materiałów nieorganicznych/organicznych pozwalają sądzić, że ok. 1 mld ton będą stanowić odpady organiczne.

Rozkład odpadów pokonsumpcyjnych odpowiada za 5% całkowitej globalnej emisji gazów cieplarnianych. Duży udział mają tu gnijące na składowiskach odpady organiczne, które generują 12% globalnych emisji metanu. Dla przypomnienia: metan ma 28-krotnie większy wpływ na efekt cieplarniany niż CO2.

Rozrost populacji i postępująca urbanizacja mogą doprowadzić do znacznego zwiększenia ilości odpadów organicznych (i związanych z nimi negatywnych skutków). Zjawisko to będzie dotyczyć w szczególności gospodarek wschodzących, które zgodnie z przewidywaniami do 2025 r. będą generować 70% światowych odpadów. Szacuje się, że na tych rynkach materiały organiczne, główne źródła metanu, będą stanowić 60% odpadów, przy czym 80% odpadów zbieranych obecnie trafia na otwarte wysypiska i składowiska nieodpowiadające normom.

Duże możliwości daje waloryzacja poużytkowych miejskich odpadów organicznych, obejmująca rozwój wysoko jakościowych produktów i materiałów w biorafineriach, produkcję energii ze źródeł biologicznych oraz przechwytywanie składników pokarmowych przywracanych następnie do gleby. Pełna realizacja potencjału wymaga zwiększenia skali tych zabiegów.

Podczas gdy niektóre miasta pokazały, że zbieranie nawet 85% odpadów organicznych jest wykonalne, to średnie stopy zbiórki w ujęciu światowym są niskie. Zwiększanie poziomu zbiórki i waloryzacja odzyskanego materiału stanowią w tym ujęciu dużą szansę.

Decyzja o selektywnej zbiórce materiałów organicznych rodzi istotne implikacje dla ich integracji z systemami zbiórki odpadów resztkowych, jakości zbieranych odpadów i, co za tym idzie, dla perspektyw wydobycia wartości materiału organicznego poprzez zastosowanie dodatkowych procesów, na przykład biorafinacji. Dane zebrane w trakcie opracowywania europejskich propozycji uregulowań dotyczących utraty statusu odpadu dla kompostu i fermentatu wykazały, że jako materiały wsadowe do wytwarzania wysokiej jakości produktów mogłyby posłużyć wyłącznie selektywnie zbierane odpady organiczne. Poziomy zanieczyszczeń oraz niska jakość produktów bazujących na odpadach zmieszanych nie pozwalała na ich nieograniczone wykorzystanie, chociaż dzięki innowacjom technologicznym sytuacja ta ulega poprawie, dlatego też pozostają one alternatywą, ale wyłącznie tam, gdzie implementacja zbiórki selektywnej nie jest możliwa.

Miasta na całym świecie zaczynają dostrzegać wartość strumieni materiałów organicznych, wiele z nich uruchomiło już systemy służące przechwyceniu tej wartości, są to jednak działania sporadyczne, zaś stosowane podejścia różnią się znacznie między sobą i przynoszą bardzo różny skutek. Konieczna jest systemowa zmiana sposobu postępowania z miejskimi odpadami organicznymi, aby można było osiągnąć najlepsze rezultaty.

 

Artykuł powstał na podstawie „Urban Biocycles” („Obieg biomasy w miastach”) – Ellen MacArthur Foundation 2017, przy wsparciu BW Tłumaczenia i Borysa Wiese’a.

 

dr inż. Tomasz Wojciechowski

Instytut Gospodarki o Obiegu Zamknięty, prezes GWDA, Piła