Stavební odpad jako náhrada jemné frakce v betonech – hodnocení fytotoxicity vůči okřehku

Hedvika Roztočilová1 | Diana Mariaková2 | Klára Anna Mocová3

Informace o článku

DOI
10.35933/ENTECHO.2021.002

HISTORIE
Datum doručení: 29.4.21
Datum revize: 29.4.21
Datum akceptace: 30.5.21

AFILACE

Ústav chemie ochrany prostředí VŠCHT Praha,
Technická 5, 166 28 Praha 6
1 roztocih@vscht.cz
ORCID logog 16x16 0000-0002-8198-4894
3 Klara.Mocova@vscht.cz
ORCID logog 16x16 0000-0002-6832-682X

Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT
Třinecká 1024, 272 43 Buštěhrad
2 Diana.Mariakova@cvut.cz
ORCID logog 16x16 0000-0003-0181-9248

KLÍČOVÁ SLOVA
Lemna minor; fytotoxicita; stavební odpad z demolic; recyklované písky; beton

KEYWORDS
Lemna minor; phytotoxicity; construction demolition waste; recycled aggregates; concrete

Abstrakt

Stavebnictví patří mezi největší odběratele nerostných surovin, s čímž souvisí i následná produkce odpadů. Výroba nejvíce využívaných produktů v tomto odvětví, jako jsou například cihly a betony, je v současné době závislá na neustálé těžbě primárních materiálů z neobnovitelných zdrojů. Značný potenciál pro ušetření primárních zdrojů má ve stavebnictví opětovné využívání recyklátů. Pro využití odpadních materiálů jako náhrady určité složky betonu je důležité, aby byly zachovány jeho mechanické a chemické vlastnosti. Současně je na místě posoudit také míru dopadu na životní prostředí. Jednou z možností je provést výluhové zkoušky a následné testy ekotoxicity s vodními organismy.

Cílem této práce bylo posoudit a porovnat fytotoxické účinky výluhů cihelného prachu, tří druhů písků z betonových recyklátů a referenčního materiálu (přírodního písku). Hodnocen byl růst biomasy a množství chlorofylu. Výsledky ukázaly velké rozdíly mezi vzorky. Písek nepůsobil toxicky, účinky výluhu cihelného prachu se téměř nelišily od kontroly. Beton, který byl již jednou  ecyklován,
působil mírně inhibičně, zatímco výluhy podlahového betonu s obsahem epoxidového lepidla a betonu pocházejícího z dálnice měly výrazné toxické až letální účinky.

Abstract

Construction sector is one of the largest consumers of mineral resources, which is also related to the subsequent production of waste. The production of the most widely used products in this sector, such as bricks and concrete, is currently dependent on the constant extraction of primary materials from non-renewable resources. The reuse of recycled materials in the construction industry has considerable potential for saving of the primary resources. For the use of waste materials as a substitute for a certain component of concrete, it is important that its mechanical and chemical features remain unchanged. At the same time, it is appropriate to assess the degree of impact on the environment. One option is to perform leaching tests and subsequent ecotoxicity tests with aquatic organisms.

The aim of this study was to determine and compare the phytotoxic effects of brick powder extracts, three types of recycled concrete aggregate and reference material (natural aggregate). Biomass growth and chlorophyll levels were evaluated. The results showed large differences among the samples. The sand was not toxic, the effect of brick dust was almost the same as the control. Concrete, which has already been recycled once, had a slightly inhibitory effect, while extracts of floor concrete containing epoxy glue and concrete from the highway had significant toxic to lethal effects.

1. Úvod

 V dnešní moderní době, nabízející stále nové možnosti nejen v oblasti bydlení a cestování, představuje nezastupitelnou úlohu stavební průmysl. Stavebnictví patří mezi největší odběratele nerostných surovin, s čímž souvisí i následná produkce odpadů. Právě každoročně narůstající množství odpadů a vyčerpávání neobnovitelných přírodních zdrojů jsou jedny z hlavních problémů současné společnosti. V roce 2019 bylo vyprodukováno 1,557 tun stavebního a demoličního odpadu, což činí 42 % z celkového množství odpadu (ČSÚ, 2021). Z toho se opětovně využívá přibližně 40 % a zbytek končí většinou na skládkách, protože se jedná o z větší části nespalitelný materiál. Rozvíjejí se proto metody k opětovnému využívání odpadů ve formě sekundárních materiálů. Na tomto konceptu staví cirkulární ekonomika, jejíž hlavní myšlenkou je snižování množství odpadů a zároveň zachování primárních zdrojů surovin. To je klíčové ke zredukování ekologických zátěží pro životní prostředí a zlepšení jeho kvality.

Výroba nejvíce využívaných produktů ve stavebnictví, jako jsou například cihly a betony, je v současné době závislá na neustálé těžbě primárních materiálů z neobnovitelných zdrojů. Podobně je tomu i u tepelných izolací, například minerální vaty nebo polystyrenu. Moderní stavebnictví je na začátku zkoumání a využívaní trvale udržitelných surovin. Mezi ty můžeme zařadit používání ovčí vlny jako izolačního materiálu nebo využití korku a bambusu (Elemental Green, 2019).

Značný potenciál pro ušetření primárních zdrojů má ve stavebnictví opětovné využívání různých recyklátů. Největší podíl recyklátů se využívá jako zásypový materiál nebo na podklad dopravních staveb. Jedná se především o recykláty betonové, cihelné a asfaltové. Například cihelný recyklát se využívá na červenou antuku pro povrchy sportovišť nebo po technologické úpravě jako vstupní surovina do nových cihel a prefabrikátů (Brožová a Kuntová, 2016).

Vzhledem k tomu, že beton je nejpoužívanějším vyráběným materiálem na světě, má největší význam zabývat se možnostmi snížení právě jeho dopadu na životní prostředí (Hájek et al., 2011). Ročně se na světě vyrobí 2 × 1010 tun betonu. Pro výrobu běžného betonu je potřeba 41 % kameniva (hrubá frakce), 26 % písku (jemná frakce), 11 % cementu, zbytek tvoří voda, vzduch, přísady a příměsi (Benghida, 2016). Jedná se tedy o primární neobnovitelné suroviny, které celosvětově dochází a je nutné zabývat se možnostmi jejich náhrady v betonech. Největší environmentální dopad betonu má na svědomí cement. Jeho výroba představuje téměř 10 % celosvětové antropogenní produkce CO2 (Moumin et al., 2020). Cement slouží v betonu jako pojivo a jeho nahrazování sekundárními zdroji je značně problematické, lze jej nahradit jen z malé části. Nejlépe nahraditelná část je plnivo – hrubá a jemná frakce, která má v betonu prioritní zastoupení. Jejich nahrazením se dá tudíž významně snížit množství těžených primárních surovin.

Celosvětové zásoby kvalitního písku pro betonářský průmysl se snižují. Globálním problémem je otázka, jak toto nedostatkové zboží co nejlépe nahradit. Jednou z cest je využití stavebních a demoličních odpadů – betonových a cihelných recyklátů. To vede k současnému vyřešení dvou problémů – náhrada nerostné suroviny a snížení množství nevyužitých odpadních materiálů, končících na skládkách. Výzkumy potvrzují, že je možné nahradit až 45 % betonové směsi rozemletým cihelným a betonovým odpadem (Raini et al., 2020). Další možností je nahrazení písku skleněným prachem a rozemletým demoličním odpadem. V tomto případě bylo takto experimentálně nahrazeno 100 % písku bez výrazného ovlivnění vlastností výsledného betonu (Khan et
al., 2020). Jeden z dalších nejnovějších výzkumů dokládá možnost nahrazení 25 % písku drtí z pneumatik při zachování všech potřebných vlastností (Gajendra Rajan et al., 2021). Potenciální využití má také plastový nebo uhelný odpad. Z uvedených možností můžeme předpokládat, že nejlépe budou využitelné stavební odpady – cihelné a betonové recykláty jako náhrada jemné frakce v betonech. Tyto recykláty jsou nejlépe dostupné, dlouhodobě používané, takže u nich nehrozí riziko výrazně negativního ovlivnění vlastností a po dosloužení se dají opět znovu využít.

Pro využití odpadních materiálů jako náhrady určité složky betonu je důležité zachování potřebných mechanických a chemických vlastností materiálu. Beton si musí zachovat svou pevnost v tlaku, trvanlivost, hustotu a odolnost. Nahrazením velké nebo nevhodné části složek by se mohly vlastnosti tohoto konstrukčního materiálu ohrozit, je tudíž podstatné tyto nové materiály pečlivě testovat. Pro následné reálné využití jsou také nezbytné testy pro potvrzení ekologické nezávadnosti. Je třeba mít jistotu, že nedojde k ohrožení okolního ekosystému a k tomuto účelu se využívají různé ekotoxické testy na modelových organismech.

2 Experimentální část

2.1 Materiál

2.1.1 Rostliny

Pro provedení testů byla použita kultura vodní rostliny – okřehku menšího. Okřehek menší (Lemna minor) odrůdy Steinberg pocházel z UBA Berlin.

2.1.2 Vzorky a živné roztoky

Testováno bylo 5 různých stavebních materiálů a recyklátů (Tab. 1). Pro přípravu výluhů byly použity vzorky materiálů ve formě jemné frakce s velikostí částic ≤ 4 mm. Pro kultivaci okřehku a jako ředící voda bylo použito modifikované Steinbergovo médium (ČNI, 2007). Jeho složení je uvedeno v Tab. 2. Na přípravu 1 l média bylo odměřeno 20 ml ze zásobních roztoků I a II a 1 ml z roztoků III a IV a doplněno destilovanou vodou po rysku. pH Steinbergova média bylo vždy upraveno na hodnotu 5,5 pomocí 1M HCl a 1M NaOH. Pro extrakci chlorofylu byl použit methanol od firmy PENTA s. r. o.

 

Tabulka 1: Testované vzorky

Testovaný výluh

Zkratka

Informace o materiálu

Písek

P

Referenční materiál

Cihla

C

Cihelný prach

Beton – recyklát

BR

Již použit 2× ve stavbě

Beton – z dálnice

BD

Beton z dálnice s vysokým obsahem cementu

Beton – z podlahy

BP-L

Beton s obsahem lepidla na bázi epoxidu

  

2.2 Příprava výluhů

Testované výluhy byly připravovány podle normy ČSN EN 12457-4 (ČNI, 2003). Nejprve byly umístěny v dvoulitrových zásobních lahvích na překlopnou třepačku s rychlostí 5 otáček za minutu na 24 hodin. Poté na 10 minut na centrifugu s frekvencí otáčení 4 600 otáček za minutu. Následně byly výluhy přefiltrovány a bezprostředně poté jim bylo změřeno pH a konduktivita (elektrická vodivost) při laboratorní teplotě. Před provedením testů fytotoxicity byly vzorky skladovány při 4 °C.

V případě měření obsahu vybraných prvků byly výluhy okyseleny pomocí HCl na hodnotu pH 2 a roztoky přefiltrovány přes filtr s velikostí pórů 5 μm. Stanovení obsahu Ca, Na, Zn, B, Mo probíhalo metodou AAS na přístroji Agilent 280FS AA s plamenovou technikou atomizace.

2.3 Příprava koncentračních řad

Testované výluhy byly připraveny v podobě roztoků koncentrační řady. Získaný výluh byl postupně ředěn na požadované koncentrace živným roztokem. Rozpětí koncentračních řad bylo voleno s ohledem na toxicitu výluhů i citlivost modelových organismů. Použité koncentrace u vzorků výluhů P, C, BR byly: 41; 51; 64; 80; 100 objemových % a 100% výluh obohacený solemi. U vzorku BD byly koncentrace: 1,56; 3,125; 6,25; 12,5; 25; 50; 100; 100 + soli % obj. U vzorku BP-L 6,25; 12,5; 25; 50; 100; 100 + soli % obj. Uvedené koncentrace odpovídají procentuálnímu obsahu výluhu v živném roztoku a vždy byly ještě prováděny kontroly pouze s živným roztokem (100% H2O + soli), čistou destilovanou vodou (100% H2O) a koncentrační řadou směsí destilované vody a živného roztoku v rozmezí 41–80 % H2O. Každé ředění výluhu bylo reprezentováno 3 opakováními, kontroly byly připraveny ve 4–5 opakováních. 

2.4 Test toxicity na okřehku menším

Metodika testu vycházela z normy (ČNI, 2007). Okřehek byl ze sterilní kultury pěstované na agaru nejprve přemístěn do tekutého Steinbergova kultivačního média, aby se rozrostl a adaptoval. Týden poté byl okřehek opatrně přenesen do čerstvého kultivačního média, kde rostl další týden. Pro nasazení testu bylo opět připraveno čerstvé Steinbergovo médium. Jako ředící voda bylo použito Steinbergovo médium dle Tab. 2.

Test byl proveden v kádinkách, které se plnily 100 ml roztoku nebo kontrolního média. Do každé kádinky bylo přeneseno pinzetou 10 stélek okřehku. Jednotlivé kádinky byly uzavřeny průhlednou folií a poté byla každá zvlášť vyfotografována. Do jedné kádinky obsahující pouze 100 ml vody bylo umístěno centimetrové čtvercové voděodolné měřítko. Tato kádinka byla také vyfotografována pro pozdější kalibraci. Poté byly umístěny pod zdroj světla (6 500–10 000 lux) a tepla (24 ± 2 °C). Po 96 hod. byly kádinky opět jednotlivě vyfoceny. Po dalších 72 hodinách – 7. den byly vzorky naposledy vyfoceny a testování bylo ukončeno.

Následně byl okřehek přemístěn z kádinek do zkumavek, a to tak, že veškerá biomasa z jedné kádinky byla vložena do jedné zkumavky. Okřehek byl před umístěním do zkumavek vysušen buničinou a poté zalit vždy 8 ml methanolu (99,8 %) pro extrakci chlorofylu. Extrakce probíhala 2–4 dny v chladu a temnu.

Po extrakci byly zkumavky umístěny do centrifugy. Odstřeďování probíhalo po dobu 10 minut rychlostí 4 500 otáček/min při 4 °C na centrifuze Rotanta 460R značky Hettich. Pak byla měřena absorbance při vlnových délkách 652 nm a 665 nm na přístroji UV-1900 (Shimadzu).

Digitální obrazovou analýzou byla v programu NIS – Elements (Laboratory Imaging, 2019) vyhodnocena celková plocha stélek pro následný výpočet růstové rychlosti.

 

Tabulka 2: Steinbergovo médium pro okřehek

Zásobní roztok

Chemikálie

Koncentrace [g/l]

Zdroj

I

KNO3

17,50

Sigma – Aldrich

KH2PO4

4,50

K2HPO4

0,63

II

MgSO4· 7H2O

5,00

Ca(NO3)2· 4H2O

14,75

Zásobní roztok

Chemikálie

Koncentrace [mg/l]

Zdroj

III

H3BO3

120,00

Sigma – Aldrich

ZnSO4·7H2O

180,00

Na2MoO4· 2H2O

44,00

MnCl2· 4H2O

180,00

IV

FeCl3· 6H20

760,00

Na2-EDTA · H20

1500,00

 

2.5 Výpočty

2.5.1 Výpočet růstové rychlosti u okřehku

Pro každou testovanou koncentraci a kontrolu byla z údajů o velikosti listové plochy na začátku, uprostřed a na konci testu vypočítána růstová rychlost.

 

$μ = \frac{ln N_{n} - ln N_{0}}{t_{n}} $ (1)

 

N0 - velikost plochy na počátku testu
Nn - velikost plochy po době n
tn - doba trvání testu (růstového období) ve dnech

 

2.5.2 Výpočet obsahu chlorofylu

Výpočet chlorofylu byl proveden podle autora Wellburna (1994). Obsah celkového chlorofylu byl vyjádřen v μg na jednotku celkové listové plochy okřehku.

 

$C_{Chl a} =15,62 \times A_{666} - 7,34 \times A_{653} $ (2)

 

$C_{Chl b} =27,05 \times A_{653} - 11,21 \times A_{666} $ (3)

 

$C_{Chl celk} =C_{Chl a} + C_{Chl b} $ (4)

 

CChl a - koncentrace chlorofylu a [μg/ml]
CChl b - koncentrace chlorofylu b [μg/ml]
CChl celk - celková koncentrace chlorofylu [μg/ml]
A666 - absorbance při 666 nm
A653 - absorbance při 653 nm

 

2.5.3 Vyhodnocení výsledků

Z naměřených hodnot rychlosti růstu a obsahu chlorofylu byly u jednotlivých koncentrací výluhů a kontrol vypočteny průměrné hodnoty a směrodatné odchylky.

3 Výsledky a diskuze

Na Obr. 14 jsou zobrazeny účinky testovaných materiálů na obsah chlorofylu a růstovou rychlost okřehku. Hodnoty měřených charakteristik byly vždy srovnány s kontrolou, kterou představovala odpovídajícím způsobem zředěná destilovaná voda. V Tab. 3, 4 jsou uvedeny vlastnosti výluhů a kontrolních médií. Na Obr. 5 je znázorněna odezva okřehku na různé koncentrace destilované vody sedmý den testování.

Okřehek je zcela závislý na příjmu živin z vody, ve které se vyskytuje, a proto na něj mají neobohacené roztoky výrazný vliv. Destilovaná voda s nulovým obsahem živin, která byla naředěná na testovanou koncentraci výluhu vzorku, sloužila jako kontrolní koncentrace. Srovnáním výluhů s touto kontrolou bylo zjištěno, jestli byl okřehek ovlivňován pouze nedostatkem živin ve výluzích nebo i toxickými vlastnostmi vzorků. Z Obr. 1, 2 a 5e je zřejmé, že negativně působí pouze čistá destilovaná voda. Při přídavku 20 % živného roztoku (tj. 80% koncentrace destilované vody) již negativní účinky ustupují a hodnoty měřených charakteristik jsou srovnatelné s kontrolní hodnotou – živným roztokem. Z tohoto důvodu byla testována destilovaná voda pouze v intervalu 51%–100% a nižší koncentrace jsou již považovány za nevýznamné. Vzhledem k tomu je na Obr. 3 a 4 uvedena pouze jedna kontrolní hodnota, a to 100% živný roztok.

Písek, jako referenční materiál, byl srovnatelný s kontrolními hodnotami. Výjimku představuje 100% koncentrace výluhu, kde jsou až o polovinu nižší hodnoty obsahu chlorofylu a růstové rychlosti (Obr. 1, 2). Tento jev je způsoben velmi pravděpodobně nedostatkem živin ve výluhu, nikoliv přítomností toxických látek. Z Tab. 3, 4 je zřejmé, že výluh písku má velmi nízkou konduktivitu a obsah prvků je také minimální. Po obohacení výluhu živnými solemi rostliny opět prospívají a oproti kontrole vykazují mírnou stimulaci.

Vzorek cihelného výluhu působil ze všech recyklátů nejméně inhibičně. Na rozdíl od písku, 100% koncentrace neměla tak výrazný vliv na okřehek (Obr. 1, 2). Z konduktivity a obsahu prvků můžeme usuzovat, že z cihelného recyklátu se uvolnilo podstatně více iontů (Tab. 3, 4). Růstová rychlost je ve všech koncentracích téměř srovnatelná s kontrolou.

Betonový recyklát působil ve vyšších koncentracích inhibičně na růst okřehku. Při 80% koncentraci výluhu je již patrný nižší růst v porovnání s kontrolou (Obr. 1). Obsah chlorofylu byl ovlivněn i v nižších koncentracích, ale listy nevykazovaly známky nekrózy. Inhibiční působení bylo pravděpodobně způsobeno i vyšší hodnotou pH, po naředění na 64 % a více se hodnoty sledovaných charakteristik začínají blížit kontrole. Písek, cihelný a betonový recyklát lze považovat za netoxické vzorky.

Naopak beton z dálnice se jeví jako nejvíce toxický ze všech testovaných vzorků. Na okřehek působil výrazně inhibičně i při naředění na 12,5 %. Při koncentraci 25 % již lístky okřehku podlehly úplné nekróze, a to za pouhý jeden den a poté byly vyloučeny z testu. Ani obohacení výluhu živnými solemi, na rozdíl od předchozích vzorků, nepřineslo zmírnění toxického působení. Limitujícím faktorem byla i vysoká hodnota pH – 12,2, kterou bylo obtížné snížit ředěním. Ze všech vzorků měl tento výluh také nejvyšší konduktivitu (Tab. 3), která byla pravděpodobně způsobena tím, že beton obsahoval vysoké množství cementu. To potvrzuje i Tab. 4, kde je uvedena extrémně vysoká hodnota vápníku. Výluhy betonu s vyšším obsahem cementu jsou poměrně zásadité a způsobují například i imobilizaci dafnií (Choi et al., 2013). Při provádění experimentu bylo v kádinkách vidět velké množství vysrážených solí. Vzhledem k hodnotě pH by se mohlo jednat například o uhličitan vápenatý.

Beton s obsahem organického lepidla se projevoval o něco méně toxicky než beton z dálnice, nicméně jeho inhibiční působení bylo také vysoké. Při práci s tímto betonem byl cítit intenzivní zápach, pravděpodobně uvolňováním lepidla. Je tedy možné, že část toxické látky vytěkala. Omezení růstové rychlosti nastalo při 25% koncentraci a vyšší koncentrace, jako v případě betonu z dálnice, již byly letální. Při 25% koncentraci byla zjištěna chloróza a při 50% už úplná nekróza listů.

Vliv na růst rostlin u některých vzorků mohl mít i obsah prvků ve výluzích (Tab. 4). Ve vzorcích byly sledovány prvky uvedené ve vyhlášce pro hodnocení nebezpečných vlastností odpadů, která byla platná v době provedení experimentu, tj. v roce 2020 (MŽP a MZdr, 2016). Všechny hodnoty se pohybovaly pod limitem. Dále byl hodnocen ještě obsah sodíku a vápníku. V Tab. 4 jsou uvedeny pouze ty prvky, které se přidávají rovněž do kultivačního média pro okřehek. Mezi šestnácti hodnocenými prvky se vyskytují jak toxické kovy (As, Hg, Pb), tak prvky, které jsou ve stopovém množství pro růst rostlin nezbytné. Vyvážené koncentrace hořčíku a zinku jsou nezbytné pro tvorbu chlorofylu. Zinek, molybden a bor také patří mezi esenciální mikroprvky. Těchto prvků mohly mít rostliny v neředěných a méně zředěných výluzích nedostatek. Zvýšené koncentrace boru mohou rostlinám naopak uškodit. Uvádí se, že vhodná koncentrace boru ve vodách pro závlahy je do 1 mg/l (Sýkora et al., 2016). Vysoké koncentrace vápníku a sodíku, které byly detekovány ve všech výluzích s výjimkou písku, také nejsou pro rostliny vhodné.

 

graf 1.jpg

Obr. 1: Vliv vzorků písku (P), cihly (C) a betonového recyklátu (BR) na obsah chlorofylu v okřehku v porovnání s vlivem destilované vody

 

graf 2.jpg

Obr. 2: Vliv vzorků písku (P), cihly (C) a betonového recyklátu (BR) na růstovou rychlost okřehku v porovnání s vlivem destilované vody

 

graf 3.jpg

Obr. 3: Vliv vzorků betonu z dálnice (BD) a betonu z podlahy s obsahem lepidla (BP-L) na obsah chlorofylu v okřehku. Jako kontrola byl použit modifi kovaný Steinbergův roztok

 

graf 4.jpg

Obr. 4: Vliv vzorků betonu z dálnice (BD) a betonu z podlahy s obsahem lepidla (BP-L) na růstovou rychlost okřehku. Jako kontrola byl použit modifi kovaný Steinbergův roztok 

 

CT_5a.jpg 51%_5b.jpg 64%_5c.jpg 80%_5d.jpg 100%_5e_varianta puvodni.jpg
5a: Růst okřehku ve Steinbergově roztoku (destilovaná voda + soli) 5b: Růst okřehku v destilované vodě – 51 % 5c: Růst okřehku v destilované vodě – 64 % 5d: Růst okřehku v destilované vodě – 80 % 5e: Růst okřehku
v destilované vodě – 100 %
Obr. 5: Růst okřehku

 

Tabulka 3: Vlastnosti výluhů a živných médií
 

pH (25 °C)

Konduktivita [µS/cm2]

P

8,1 ± 0,6

27 ± 3

C

8,6 ± 0,0

1129 ± 6

BR

10,3 ± 0,0

545 ± 13

BD

12,2 ± 0,0

7150 ± 80

BP-L

11,7 ± 0,1

2730 ± 10

Steinbergovo médium

5,5 ± 0,1

997 ± 23

 

Tabulka 4: Významné prvky ve výluzích a živných médiích 

ρ [mg/l]

Steinbergovo médium

Výluhy

C

P

BR

BD

BP-L

Ca

50,1

217

3

80

661

146

Na

0,2

21

1

14

9

10

Zn

0,04

0,02

0,03

~ 0,01

~ 0,01

~ 0,008

B

0,02

< 3

< 3

< 3

< 4

< 4

Mo

0,02

< 0,1

< 0,1

< 0,1

< 0,1

< 0,1

 

V současné době existuje jen omezené množství prací zabývajících se přímým hodnocením ekotoxicity stavebních a demoličních odpadů. Ze studie (Brás et al., 2017) zabývající se náhradou jemné frakce v betonech za průmyslové odpady jako je vápenný kal a popílek z biomasy prováděné na okřehku (Lemna gibba) byly vyvozeny podobné závěry jako z našeho experimentu. Písek byl nahrazován uvedenými odpady z 50 a 100 %. Ve výluzích se měřily tyto parametry: pH, konduktivita a oxidačně-redukční potenciál (ORP). Ve výluzích betonu bez náhrad a písku byly naměřeny velice podobné hodnoty pH jako u písku a betonu z dálnice v této studii. Konduktivita u písků se řádově lišila a při porovnání betonů byla srovnatelná s našimi vzorky. Hodnota ORP byla u písku kladná a u betonu záporná. Z ekotoxikologického hlediska byl hodnocen počet stélek okřehku a obsah chlorofylu. Žádné rostliny nevykazovaly náznaky chlorózy ani nekrózy. Ve všech vzorcích proběhl nárůst stélek bez významných odlišností od kontroly. Koncentrace chlorofylu ve vzorcích nebyla nižší než v kontrole. Naopak u vzorku betonu se 100% náhradou písku popelem z biomasy byl obsah zelených pigmentů výrazně vyšší. Toto zjištění by ovšem mohlo vyloučit použití popelu z biomasy jako vhodnou náhradu písku, protože by výsledný materiál mohl mít na svědomí eutrofizaci prostředí.

Ekotoxikologické testy související s betony byly prováděny i na dalších organismech, jako je například hrotnatka Daphnia magna. Tento zástupce vodních organismů se používá pro jeho snadnou kultivaci, krátkou dobu života a také je to ekologicky relevantní druh, jelikož je celosvětově rozšířen a slouží jako potrava pro mnoho druhů ryb. V různých koncentracích byly testovány výluhy portlandského cementu a jeho možných náhrad, např. vysokopecní strusky. Cement může mít pro životní prostředí negativní dopady způsobené vyluhováním těžkých kovů a jiných anorganických toxických prvků do vodního prostředí. Pro snížení těchto negativních dopadů je možné využít různých náhrad. Výluh samotného cementu s pH kolem 12 způsobil 100% imobilizaci hrotnatek ve všech testovaných koncentracích. U mleté vysokopecní strusky při koncentracích pod 12,5 % bylo zaznamenáno pH kolem 8 a žádná imobilizace nebyla pozorována. Ze studie vyplývá, že jemná frakce vysokopecní strusky přispívá ke snížení ekotoxicity výsledného betonu a mohla by být z ekotoxikologického hlediska jako náhrada použita (Choi et al., 2013).

Na hrotnatkách byla prováděna i studie zaměřena na nahrazení kameniva a portlandského cementu recyklovaným betonem a elektrárenským popílkem. Nahrazovalo se 60 % cementu a 100 % kameniva v různých kombinacích a pozorovalo se působení různě koncentrovaných výluhů. Kromě hrotnatek byly použity i kvasinky Saccharomyces cerevisiae a mořské luminiscenční bakterie Vibrio fischeri pro komplexnější náhled na problematiku. Chemickou analýzou byly zjištěny významné koncentrace prvků: Al, Ca, Fe, Mg a Cr ve všech výluzích a ve výluzích, kde byl použit popílek z uhelných elektráren, byly navíc ve významných koncentracích: Ba, Cu, Mn, Ni, Pb a Zn. Problematicky se jevily hlavně výluhy s popílkem, který výrazně ovlivnil pohyblivost hrotnatek. Jeho působením se také snížila luminiscence bakterií, ale růst kvasinek nebyl významně ovlivněn (Rodrigues et al., 2020).

Okřehek (Lemna minor) je vhodným modelovým organismem pro posuzování ekotoxicity výluhů nejen díky svému kosmopolitnímu výskytu v přírodě, ale také pro zvýšenou toleranci na výkyvy pH prostředí (mezi hodnotami 5,0 až 9,0) (ČNI, 2007). Předností tohoto organismu je možnost sledovat jak akutní, tak chronické účinky, tedy letalitu i inhibici reprodukce. Již dříve bylo zjištěno, že okřehek je vhodným rostlinným zástupcem pro studium ekotoxicity stavebních a demoličních odpadů (Mocová et al., 2019). Také v této práci byla zvolena nedestruktivní metoda hodnocení růstu rostlinné biomasy pomocí obrazové analýzy, díky čemuž mohlo být měření doplněno ještě o sledování účinků na subbuněčné úrovni, pomocí obsahu celkového chlorofylu. Biotest v tomto uspořádání proto podává komplexnější informaci o toxicitě hodnocených vzorků.

Z naší práce stejně jako z ostatních studií vyplývá, že největším problémem u stavebních a demoličních odpadů z ekotoxikologického hlediska je vysoká hodnota pH a vyluhovatelnost toxických prvků, sodíku a vápníku. Pro budoucí experimenty budou z použitých odpadních materiálů vyrobeny reálné vzorky betonu, u kterých předpokládáme celkové omezení vyluhovatelnosti prvků a tudíž i snížení ekotoxicity.

4 Závěr

  • Mezi testovanými materiály i testovacími organismy byly z ekotoxikologického hlediska značné rozdíly.
  • Jako nejvhodnější materiál se jeví cihelný recyklát, který nezpůsoboval významné inhibiční účinky. Naopak nejtoxičtěji se projevoval vzorek betonu z dálnice, u kterého se již při koncentraci výluhu 6,25 % začínala ukazovat inhibice růstu a chloróza.
  • Na výsledky testu měly vliv i hodnoty pH výluhů a obsahy prvků ve výluzích.
  • Přestože obsahy prvků nepřekračují limity uvedené ve vyhlášce pro hodnocení nebezpečných vlastností odpadů, testy ekotoxicity ukazují výrazné toxické působení vzorků betonu z dálnice a betonu s obsahem lepidla. U betonu z dálnice nastala úplná nekróza okřehku za necelých 24 hodin, při koncentraci výluhu 25 %, což naznačuje velmi výraznou toxicitu.
  • Na základě výsledků ekotoxicity a technických zkoušek budou z vybraných odpadních materiálů připraveny betonové směsi a následně výrobky, které budou rovněž otestovány pomocí výluhových zkoušek.

5 Poděkování

Studie byla financována z účelové podpory na specifický vysokoškolský výzkum (MŠMT, č. SGS21/096/OHK1/2T/11 – Vliv chemických vlastností na použití odpadních materiálů v betonových aplikacích).

Literatura

Benghida, D., 2016. CO2 reduction from cement industry, In: Advanced Materials, Mechanical and Structural Engineering – Proceedings of the 2nd International Conference of Advanced Materials, Mechanical and Structural Engineering (AMMSE 2015), Je-ju Island, South Korea, September 18-20, 2015. CRC Press, 127–130. https://doi.org/10.1201/b19934-29

Brás, I.; Silva, P. C.; Almeida, R.; Silva, M. E.; Lourenço, C., 2017. Eco-toxicity assessment of concrete prepared with industrial wastes. Energy Procedia 136, 115–120. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.10.296

Brožová, L.; Kuntová, K., 2016. Recyklace stavebního demoličního odpadu a jeho využití u pozemních staveb. Business & IT 6(2), 32–50. https://doi.org/10.14311/bit.2016.02.05

ČNI, 2007. ČSN EN ISO 20079 (757745) Jakost vod – Stanovení toxických účinků složek vody a odpadní vody na okřehek (Lemna minor) – Zkouška inhibice růstu okřehku. Český normalizační institut, Praha.

ČNI, 2003. ČSN EN 12457-4 (83 8005) Charakterizace odpadů - Vyluhování – Ověřovací zkouška vyluhovatelnosti zrnitých odpadů a kalů – Část 4: Jednostupňová vsádková zkouška při poměru kapalné a pevné fáze 10 l/kg pro materiály se zrnitostí menší než 10 mm (bez zmenšení velikosti částic, nebo s ním). Český normalizační institut, Praha.

ČSÚ, 2021. Produkce, využití a odstranění odpadů za období 2019. Český statistický úřad, Praha.

Elemental Green, 2019. 10 Eco Building Materials Revolutionizing Home Construction. https://elemental.green/10-eco-building-materials-revolutionizing-home-construction/

Gajendra Rajan, R.; Sakthieswaran, N.; Ganesh Babu, O., 2021. Experimental investigation of sustainable concrete by partial replacement of fine aggregate with treated waste tyre rubber by acidic nature. Materials Today: Proceedings, International Conference on Newer Trends and Innovation in Mechanical Engineering: Materials Science 37, 1019–1022. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.06.279

Hájek, P.; Fiala, C.; Kynčlová, M., 2011. Life cycle assessments of concrete structures - A step towards environmental savings. Structural Concrete. https://doi.org/10.1002/suco.201000026

Choi, J. B.; Bae, S. M.; Shin, T. Y.; Ahn, K. Y.; Woo, S. D., 2013. Evaluation of Daphniamagna for the Ecotoxicity Assessment of Alkali Leachate from Concrete. International Journal of Industrial Entomology 26(1), 41–46. https://doi.org/10.7852/ijie.2013.26.1.041

Khan, S.; Maheshwari, N.; Aglave, G.; Arora, R., 2020. Experimental design of green concrete and assessing its suitability as  sustainable building material. Materials Today: Proceedings, 10th International Conference of Materials Processing and Characterization 26, 1126–1130. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.02.225 

Laboratory Imaging, 2019. NIS-Elements, Laboratory Imaging. 

Mocová, K. A.; Sackey, L. N. A.; Renkerová, P., 2019. Environmental Impact of Concrete and Concrete-Based Construction Waste Leachates. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 290, 012023. https://doi.org/10.1088/1755-1315/290/1/012023 

Moumin, G.; Ryssel, M.; Zhao, L.; Markewitz, P.; Sattler, C.; Robinius, M.; Stolten, D., 2020. CO2 emission reduction in the cement industry by using a solar calciner. Renewable Energy 145, 1578–1596. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.07.045

MŽP; MZdr, 2016. Vyhláška č. 94/2016 Sb., o hodnocení nebezpečných vlastností odpadů

Raini, I.; Jabrane, R.; Mesrar, L.; Akdim, M., 2020. Evaluation of mortar properties by combining concrete and brick wastes as fine aggregate. Case Studies in Construction Materials 13, e00434. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2020.e00434 

Rodrigues, P.; Silvestre, J. D.; Flores-Colen, I.; Viegas, C. A.; Ahmed, H. H.; Kurda, R.; de Brito, J., 2020. Evaluation of the  ecotoxicological potential of fly ash and recycled concrete aggregates use in concrete. Applied Sciences 10(1), 351. https://doi.org/10.3390/app10010351

Sýkora, V.; Kujalová, H.; Pitter, P., 2016. Hydrochemie pro studenty bakalářského studia. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Praha.

Wellburn, A. R., 1994. The Spectral Determination of Chlorophylls a and b, as well as Total Carotenoids, Using Various Solvents with Spectrophotometers of Different Resolution. Journal of Plant Physiology 144(3), 307–313. https://doi.org/10.1016/S0176-1617(11)81192-2