Nejnavštěvovanější odborný portál
pro stavebnictví a technická zařízení budov
estav.tvnový videoportál

Využití recyklovaných stavebních materiálů pro přírodní čistírny odpadních vod

Snížení spotřeby neobnovitelných surovin se v posledních letech stává stále častěji skloňovaným tématem. Při výstavbě přírodních čistíren odpadních vod vzniká značná spotřeba přírodních kameniv, které lze právě mezi neobnovitelné suroviny zařadit. Z tohoto důvodu je nutné se pokusit najít materiál k přírodnímu kamenivu alternativní. Náhradu mohou představovat stavební recyklované materiály, které stále ještě nenacházejí tak širokého uplatnění jako materiály přírodní, a to především díky jejich nízké kvalitě ve smyslu hydraulických charakteristik. Současně dostupné recykláty je nutné zhodnotit z pohledu náhrady hlavního filtračního materiálu vertikálních filtrů, protože právě zde je spotřeba jemnozrnného přírodního kameniva nejvyšší. Cílem je zajistit úsporu finančních prostředků využitím dostupnějších recyklátů, ale také zachovat dostatek přírodních zdrojů pro budoucí generace.

1. Úvod

V současné době procházejí přírodní čistírny odpadních vod řadou konstrukčních inovací založených na aktuálních výzkumných poznatcích. Ryze horizontální filtrační pole jsou v hlavním stupni čištění nahrazovány účinnějšími filtry vertikálními nárazově plněnými [1]. Zvýšená pozornost je věnována jak stupni mechanického předčištění (návrhu sedimentačních objektů), tak i stupni terciálního čištění řešeného prostřednictvím např. stabilizačních nádrží [2]. Přesto jednou z nejdůležitějších částí návrhu technologie přírodních čistíren zůstává filtrační materiál, a především jeho kvalita. Při testování alternativních filtračních substrátů jako zeolitu, strusky či dřevní štěpky se pozornost upíná na snížení odtokových koncentrací celkového dusíku či celkového fosforu [3; 4]. Jedná se ovšem o substráty využívané sporadicky. I přes řadu slibných výsledků zůstává stále nejvyužívanějším filtračním materiálem, materiál přírodní neobnovitelný – kamenivo. Dle platných technických norem jsou voleny přírodní těžené frakce se zrnitostí 0–4, 4–8, 8–16 či 16–32 mm [1]. Zrnitost použitého materiálu je odvozena od samotného typu filtračního pole či od přesného místa použití uvnitř konstrukce filtračního tělesa.

Filtry vertikálně protékané, nahrazující variantu s horizontálním směrem průtoku, jsou rozčleněny do několika vrstev lišících se právě zrnitostí použitého materiálu. V České republice se souvrství vertikálního filtru sestává z vrstev pohledové, hlavní filtrační, přechodové a drenážní, kterým odpovídají frakce 8–16, 0–4, 4–8 a 8–16 mm [5]. Nejvyšší spotřeba materiálu je svázána s vrstvou nejobjemnější, tedy hlavní filtrační, jejíž mocnost je zpravidla 60 cm. Na použitý materiál této vrstvy jsou kladeny striktní zrnitostní požadavky, které ovlivňují výsledné hydraulické vlastnosti celého filtru. Hodnoty dílčích požadavků vychází vždy z národních technických norem a v detailech se liší např. v Rakousku, Německu, Dánsku a České republice. Nicméně i přes rozlišné hodnoty požadavků se ve všech případech jedná o analýzu a následné posouzení zrnitostní křivky materiálu. Stanovuje se vždy umístění 10% a 60% propadu (d10 a d60), koeficient stejnozrnnosti (U) a obsah jemnozrnných (prachových) částic. Po zrnitosti je jako druhé neméně důležité kritérium využívána hydraulická vodivost, přesněji koeficient nasycené hydraulické vodivosti (ks) [5; 6; 7; 8]. V závislosti na jeho hodnotě je rozhodnuto o přijatelnosti materiálu či způsobu jeho využití (hlavní filtrační, pohledová či drenážní vrstva).

Hodnocení jak běžných filtračních materiálů, tak materiálů alternativních by ale vždy mělo být vztaženo k vůbec nejdůležitějšímu hodnotícímu faktoru, kterým je výsledná účinnost odstranění znečištění ve sledovaných ukazatelích, resp. výsledná odtoková koncentrace. Nicméně posouzení zrnitostního složení a hydraulické vodivosti může sloužit jako prvotní rozhodovací kritérium.

Téměř výhradně využívaná přírodní kameniva ovšem představují neobnovitelný zdroj surovin, s jehož klesajícím dostupným množstvím bude docházet k výraznému nárůstu pořizovací ceny. V důsledku předpokládaného zvyšování ceny se bude nejspíše zvyšovat tlak na využívání materiálů alternativních, mezi které je možné zařadit i druhotné suroviny zastoupené stavebními recykláty.

2. Materiály a metody

Filtrační materiály přírodních čistíren jsou hodnoceny dle platných požadavků, které se ale liší v závislosti na státu, ve kterém byl dokument vydán. Z tohoto důvodu je vhodné provést hodnocení komplexní se zahrnutím rozdílných národních standardů. Pro účely vyhodnocení použitelnosti recyklovaných materiálů byla použita kritéria využívaná v Německu [6], Rakousku [7], Dánsku [8] a České republice [5].

Zrnitost

Z pohledu zrnitostního složení je hodnoceno umístění 10% propadu (d10), jehož hodnota by měla pro hlavní filtrační vrstvy vertikálních filtrů dle [5] ležet v rozmezí 0,2 až 0,4 mm. Stejné rozmezí uvádí i [7; 6]. Naopak v Dánsku se jedná o rozmezí 0,25 až 1,2 mm. 60% propad (d60) je specifikován pouze dánskými národními požadavky, které vyžadují jeho umístění v rozptylu hodnot 1 až 4 mm [8]. V Rakousku a v České republice není d60 hodnocen. Německé standardy neuvádí přímé hodnocení, nicméně hodnota d60 je zahrnuta do stanovení koeficientu stejnozrnnosti U. Stejnozrnnost je následně vyjádřena jako poměr d60 a d10 patrný z rovnice č. 1. Limitní hodnota U by měla být menší než 5 [6], respektive menší než 3,5 [8].

vzorec 1 (1)
 

kde je

U
koeficient stejnozrnnosti [–],
d60
60% propad [mm],
d10
10% propad [mm].
 

Nízký obsah prachových částic v používaných přírodních materiálech je zajištěn již samotným výrobním procesem, do kterého je vřazen stupeň praní. Částice o rozměru menším než 0,125 mm jsou omezeny na požadované maximální zastoupení 0,5 % [8]. Nicméně v případě [6] je přípustné zastoupení částic o rozměru menším než 0,063 mm až do 2 %. V České republice nebyly doposud pro prachové částice limity stanoveny. Souhrn národních i zahraničních požadavků z pohledu zrnitosti uvádí tabulka č. 1. Jedná se o požadavky vztažené k hlavním filtračním materiálům vertikálních filtrů s frakcí 0–4 mm, v případě Německa k vertikálnímu filtru s materiálem frakce 0–2 mm.

Tab. 1: Požadavky na hlavní filtrační materiály vertikálních filtrů
StátZrnitost materiálu
[mm]
Obsah částic < 0,063 mm
[%]
Ud10
[mm]
d60
[mm]
Zdroj
Česká republika0–40,2–0,4[5]
Rakousko0–40,2–0,4[7]
Dánskopísek10,523,50,25–1,21,0–4,0[8]
Německo0–225,00,2–0,4[6]
1 Označení frakce není přesně stanoveno
2 Obsah částic menších než 0,125 mm

Požadavky na hlavní filtrační materiál významně ovlivňuje zvolený typ filtračního pole. Rozdílné hodnoty d10, U a obsahu prachových částic jsou uváděny kromě vertikálních filtrů v klasickém uspořádání také pro vertikální filtry dvoustupňové, filtry uměle provzdušňované či horizontální. Výčet jednotlivých typů včetně odlišných požadavků specifikuje [6].

V rámci vlastních výzkumných prací byly pro účely hodnocení křivky zrnitosti zpracovány a porovnány sítové rozbory stavebních recyklátů dle ČSN EN 933-1. Hodnocený vzorek materiálu byl vždy nejprve vysušen při teplotě 110±5 °C a následně vyprán na sítě 0,063 mm tak, aby bylo zajištěno dokonalé oddělení prachových částic a byla minimalizována jejich ztráta při prosévání.

Hydraulická vodivost

Filtrační materiály přírodních čistíren jsou hodnoceny prostřednictvím nasycené hydraulické vodivosti. Stanovován je tzv. koeficient nasycené hydraulické vodivosti ks, který rozhoduje o použitelnosti dané frakce. Kritéria pro přijetí materiálu na základě ks jsou na rozdíl od zrnitosti pro většinu zahraničních i národních technických předpisů jednotné. Hlavní filtrační vrstva vertikálního filtru by měla disponovat hydraulickou vodivostí ks 10−4 m.s−1 [5].

Literatura [6] mimo skutečné (měřené) hodnoty ks uvádí hydraulickou vodivost stanovenou výpočtem dle Beyera (rovnice č. 2), kde vypočtená vodivost ks, Beyer by měla ležet u hlavního materiálu vertikálního filtru v rozmezí 4,0.10−4 – 1,6.10−3 m.s−1.

vzorec 2 (2)
 

kde je

ks, Beyer
koeficient nasycené hydraulické vodivost vypočtený dle Beyera [m.s−1],
d10
10% propad [mm].
 

Při hodnocení recyklovaných materiálů byla stanovována jak výpočtová, tak skutečná nasycená hydraulická vodivost. K měření a výpočtu hydraulické vodivosti dle Darcyho zákona bylo využito zkušební zařízení chráněné užitným vzorem Vysokého učení technického v Brně č. 24188. Jedná se o svislé potrubí s vnitřní světlostí 190,2 mm o délce 540 mm opatřené při spodním okraji zátkou s navazujícím flexibilním potrubím, které umožňuje libovolné nastavení rozdílné výšky odtoku vůči výšce stálé hladiny v hladkém potrubí.

Vybrané recyklované materiály

Pro účely hodnocení využitelnosti stavebních recyklátů byly vybrány 4 odlišné materiály. Jednalo se o recykláty směsné, cihelné a betonové o frakcích běžně využívaných při konstrukci vertikálních filtrů, tedy 0–4 mm, 4–8 mm a méně obvyklou širokou frakci 5–32 mm. Srovnání naměřených hodnot bylo provedeno se vzorkem kameniva přírodního těženého frakce 0–4 mm. Označení testovaných materiálů včetně jejich ceny a místa odběru je uvedeno v tab. 2.

Tab. 2: Vybrané recyklované materiály
MateriálFrakce
[mm]
Místo produkceCena včetně DPH
[Kč.t−1]
Označení
Směsný recyklát5–32Dražovice25MRA 5–32
Cihelný recyklát0–4Čebín0RMA 0–4
Betonový recyklát4–8Plzeň313RCA 4–8
0–4Plzeň108RCA 0–4
Přírodní kamenivo0–4Hrušovany u Brna132NA 0–4

3 Výsledky a diskuse

Zrnitost

Výsledky sítových rozborů jsou shrnuty v následující tabulce č. 3, ve které jsou porovnávána dílčí hodnotící kritéria hlavních filtračních materiálů vertikálních filtrů.

Tab. 3: Výsledky zrnitostních rozborů v posuzovaných parametrech
Materiáld10
[mm]
d60
[mm]
Stejnozrnnost UČástice < 0,063 mm
[%]
MRA 5–320,706,08,52,2
RMA 0–4< 0,071,2> 50,021,8
RCA 4–83,006,52,22,0
RCA 0–4< 0,071,5> 23,812,0
NA 0–40,250,93,60,6

Jak je patrné z výsledků zrnitosti, recykláty plní kritéria kladená na hlavní filtrační materiály obtížně. U všech recyklátů s frakcí 0–4 mm lze pozorovat vysoký podíl částic menších než 0,063 mm, který výrazně ovlivňuje umístění propadu d10, a tím i výsledný koeficient stejnozrnnosti. Požadovaný obsah částic menších než 0,063 mm byl překročen v případě RMA 0–4 více než desetinásobně. Vysoký podíl prachových částic je úzce spojen s procesem recyklace, tedy výrobou materiálu, ze které je vyřazena úprava praním. V případě jemnozrnných materiálu frakce 0–4 mm se jedná o konečný produkt prosévání, tedy veškerý materiál, který není zařazen do frakce vyšší např. 4–8 mm.

Naopak recyklované materiály hrubší frakce limit obsahu prachových částic splňují. RCA 4–8 svými zrnitostními charakteristikami naplňuje kladené limity [6] na filtrační materiály s frakcí 2–8 mm, které se používají pro konstrukci dvoustupňových vertikálních filtrů. Recyklát splňuje jak maximální obsah částic menších něž 0,063 mm (2 %), tak i umístění d10 (3 mm). Naopak MRA 5–32 se svým složením blíží spíše kamenivům jemnozrnný, a to díky nízké hodnotě d10. Nejedná se tedy o materiál, který by bylo možné použít například pro konstrukci přechodových či drenážních vrstev z důvodu vysokého podílu jemnozrnné složky.

Dle kritérií uváděných v tab. 2 lze materiály s frakcí 0–4 mm hodnotit z pohledu zrnitosti jako nevyhovující a bez dodatečné úpravy pro hlavní filtrační vrstvu vertikálních filtrů jako nevyužitelné. Průběh jednotlivých křivek zrnitosti zachycuje obr. 1, na kterém je možné provést srovnání s přírodním těženým kamenivem NA 0–4.

Obr. 1: Křivky zrnitosti hodnocených materiálů
Obr. 1: Křivky zrnitosti hodnocených materiálů

Hydraulická vodivost

Hydraulická vodivost po zrnitosti představuje druhý základní parametr, dle kterého je rozhodováno o využití substrátu jakožto filtračního materiálu. Pro materiály recyklované byl stanoven koeficient nasycené hydraulické vodivosti, který je používán jako rozhodovací kritérium pro přijetí či zamítnutí uvažovaného materiálu. Měřením stanovené hodnoty ks byly porovnány s národními i zahraničními požadavky a jsou uváděny v tab. 4. Pro každý materiál v tab. 4 byl rovněž koeficient hydraulické vodivosti vypočten dle rovnice č. 2.

Výsledné hydraulické vodivosti jednotlivých materiálů jsou úzce spojeny s průběhem zrnitostní křivky. Materiály s frakcí 0–4 mm vykazovaly hodnoty ks 1,8.10−5 m.s−1, respektive 1,7.10−5 m.s−1. V porovnání s požadavkem 10−4 m.s−1 byla tedy naměřená hodnota přibližně o jeden řád nižší. Téměř totožný rozdíl byl zaznamenán při porovnání vypočteného ks, Beyer ze skutečné křivky zrnitosti s ks,Beyer,pož. specifikovaným v [6], který je stanoven pro vzorek přírodního kameniva. Řádově nižší hodnoty ks výrazně ovlivňují návrhové parametry filtračního pole, především jeho hydraulické zatížení. S klesající hydraulickou vodivostí hlavního filtračního materiálu rovněž klesá návrhové hydraulické zatížení, čímž dochází k nárůstu plochy filtru. Pouhou výměnou přírodního materiálu za recyklovaný tedy dojde k rozšíření rozměrů filtru, zvýšení plošného záboru, nárůstu výkopů a paradoxně i k navýšení ekonomické náročnosti.

Požadovaná hydraulická vodivost nebyla splněna ani v případě recyklátů s hrubší frakcí, kdy u MRA 5–32 byl koeficient ks o řád nižší než požadavek pro filtrační materiály s frakcí 2–8 mm. Nevyhověl ani RCA 4–8, který ač splnil zrnitostní požadavky, vykazoval koeficient ks o 2 řády nižší, než udává [6] jako optimální. Z pohledu hydraulické vodivosti se tedy jako vhodnější hlavní filtrační materiál jevil recyklát MRA 5–32. Snížená vodivost u RCA 4–8 mohla být dána vyšším obsahem prachových částic či celkově jemnozrnnou frakcí. Nicméně na tento rozdíl nepoukazuje křivka zrnitosti ani hodnocená zrnitostní kritéria. Z tohoto důvodu by měla být hydraulická vodivost v každém případě ověřena přímo na vzorku používaného materiálu v době jeho odběru („in-situ“), jak uvádí i [6]. Pro terénní určení ks lze využít např. zkoušku hydraulické vodivosti specifikovanou v [9], ke které je využito minimální množství materiálu.

Tab. 4: Hodnoty ks pro vybrané recyklované materiály
Materiálks, skut.
[m.s−1]
ks, pož.
[m.s−1]
ks, Beyer
[m.s−1]
ks, Beyer, pož.
[m.s−1]
MRA 5–321,2.10−210−1*4,9.10−39,0.10−2*
RMA 0–41,8.10−510−49,0.10−66,3.10−4–1,6.10−3
RCA 4–84,1.10−310−1*9,0.10−29,0.10−2*
RCA 0–41,7.10−510−42,5.10−56,3.10−4–1,6.10−3
*požadovaný ks pro materiál se zrnitostí 2–8 mm [6]

Veškeré dostupné recykláty s frakcí 0–4 mm je nutné před použitím v současné době podrobit úpravě. Materiál je nutné zbavit vysokého podílu částic menších než 0,063 mm, čímž dojde k potřebnému zvýšení hydraulické vodivosti. Odstranění je možné provést prostřednictvím vzduchové separace či využitím mokrého procesu (praní). Lze očekávat, že s rostoucí cenou přírodního kameniva bude kladen vyšší důraz na využití stavebních recyklátů, a tedy i na jejich kvalitu. Tento přístup tak bude mít za výsledek přirozené začlenění separace prachových částic do výrobního procesu. I stavební recykláty s frakcemi 0–4 mm se následně budou svým zrnitostním složením blížit praným frakcím kameniva, jak dokumentuje křivka zrnitosti na obr. 2.

Průběh křivky zrnitosti praného cihelného recyklátu frakce 0–4 mm téměř koresponduje s křivkou praného těženého kameniva totožné frakce. Jedná se o recyklát, který byl nejprve proprán na sítě s oky 0,063 mm a následně vyhodnocen sítovým rozborem. Takto upravený materiál je schopen splnit veškeré požadavky kladené na hlavní filtrační materiály vertikálních filtrů. Obsah částic menších než 0,063 mm nepřekračuje 2 % (1,43 %), propad d10 se nachází v rozmezí 0,2–0,4 mm (0,2 mm), propad d60 leží na hodnotě 1 mm a koeficient stejnozrnnosti U nabývá hodnoty 5. Z pohledu zrnitostního složení se tedy takovýto recyklát jeví jako vhodná náhrada za kamenivo přírodní při konstrukci hlavní filtrační vrstvy vertikálních filtrů. Omezené množství vypraného cihelného recyklátu ale neumožnilo provést testování nasycené hydraulické vodivosti. Lze předpokládat, že i v kritériu hydraulické vodivosti praný materiál vyhoví požadovaným limitům. Nicméně v průběhu navazujícího testování bude nutné měřením ověřit koeficient ks tak, aby byl vyloučen nesoulad mezi zrnitostním složením a skutečnou hydraulickou vodivostí, který se projevil např. u materiálu RCA 4–8.

Obr. 2: Srovnání křivky zrnitosti praného RMA 0–4 a NA 0–4
Obr. 2: Srovnání křivky zrnitosti praného RMA 0–4 a NA 0–4

4. Závěr

Stavební recykláty v současné době představují stále využívanější náhradu materiálů přírodních, tedy kameniv. Motivace pro jejich využití je jistě z části ekonomická. Materiály jsou dostupné za výrazně nižší cenu než kameniva přírodní. Nicméně nižší pořizovací cena je vykoupena jejich nižší kvalitou a tedy nejspíše nižší účinností v odstraňování znečištění. Recyklované materiály jemnozrnných frakcí 0–4 mm často obsahují velké procento částic prachových, díky čemuž se pro využití v konstrukci přírodních čistíren jeví jako nevhodné. Zrnitostní požadavky kladené na filtrační materiály je ovšem možné splnit vřazením separace prachových částic do recyklačního procesu. Se zařazením praní lze dosáhnout zrnitostního složení téměř srovnatelného jako u kameniva přírodního. Bez úpravy je možné uvažovat o aplikaci hrubozrnnějších recyklovaných materiálů s frakcemi 4–8 či 5–32 mm, které mohou být použity pro vrstvy drenážní či pohledové, nikoliv hlavní filtrační. Při požadavku plnohodnotného nahrazení ovšem nelze hodnotit pouze vlastnosti fyzikální, jako je tomu v tomto článku. Ověřeno musí být též chování materiálu v provozních podmínkách, jeho mrazuvzdornost, riziko uvolňování těžkých kovů, ovlivňování sledovaných koncentrací znečištění na odtoku apod. Všechna tato témata by měla být předmětem dalšího výzkumu a předcházet praktickému využití recyklovaných materiálů.

5. Literatura

  1. DOTRO, G.; LANGERGRABER, G.; MOLLE, P.; NIVALA, J.; PUIGAGUT, J.; STEIN, O.; VON SPERLING, M. Biological Wastewater Treatment Series: Volume 7: Treatment Wetlands, London: IWA Publishing, 2017. ISBN 9781780408774.
  2. KRIŠKA DUNAJSKÝ, M.; NĚMCOVÁ, M. Kořenové čistírny – rekapitulace a budoucnost v České republice, Vodní hospodářství, 2016. č. 2, s. 14–20. ISSN 1211-0760
  3. KNOWLES, P.; DOTRO, G.; NIVALA, J.; GARCÍA, J. Clogging in subsurface-flow treatment wetlands: Occurrence and contributing factors. Ecological Engineering, 2011. s. 99–112. ISSN 0925-8574.
  4. SHI, X.; FAN, J.; ZHANG, J.; SHEN, Y. Enhanced phosphorus removal in intermittently aerated constructed wetlands filled with various construction wastes. Environmental Science and Pollution Research, 2017. ISSN 1614-7499.
  5. ČSN 75 6402 Čistírny odpadních vod do 500 ekvivalentních obyvatel, 2017
  6. Grundsätze für Bemessung, Bau und Betrieb von Kläranlagen mit bepflanzten und unbepflanzten Filtern zur Reinigung häuslichen und kommunalen Abwassers: Arbeitsblatt DWA-A 262. Hennef: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2017. ISBN 978-3-88721-547-7.
  7. ÖNORM B 2505 – Kläranlagen – Intermittierend beschickte Bodenfilter („Pflanzenkläranlagen“) – Anwendung, Bemessung, Bau, Betrieb, Wartung und Überprüfung. Wien: Österreichisches Normungsinstitut, 2009
  8. BRIX, H.; ARIAS C. A. The use of vertical flow constructed wetlands for on-site treatment of domestic wastewater: New Danish guidelines. Ecological Engineering, 2005. ISSN 0925-8574.
  9. Wetland technology: practical information on the design and application of treatment wetlands. Edited by LANGERGRABER, G.; DOTRO, G.; NIVALA, J.; RIZZO, A.; STEIN, O. London: IWA Publishing, 2019. ISBN 9781789060164.

Poděkování

Příspěvek byl realizován za finanční podpory Vysokého učení technického v Brně v rámci projektu „Nástroje pro zvládání klimatické změny a zajištění udržitelného rozvoje ve vodním hospodářství krajiny“. Projekt lze nalézt pod interním označením FAST-J-21-7371.

English Synopsis
The Use of Recycled Building Materials for Constructed Treatment Wetlands

Reducing the consumption of non-renewable raw materials has become a growing issue in recent years. The construction of constructed treatment wetlands generates a significant consumption of natural aggregates, which can be classified as non-renewable raw materials. For this reason, it is necessary to try to find alternative materials to natural aggregates. A substitute for conventional aggregates may be recycled construction materials, which are still not as widely used as natural materials, mainly due to their low quality. The currently available materials should be evaluated in terms of replacing the main filter material of vertical filters, as this is where the consumption of natural aggregates is highest. The aim is to ensure financial savings by using more affordable recyclates, but also to preserve sufficient natural resources for future generations.

 
 
Reklama