Vliv simulace dlouhodobého uložení sklovláknobetonu s obsahem odpadů na ekotoxické vlastnosti
Ekonomické a ekologické nakládání s odpady vyžaduje rozvoj nových technologií pro jejich využití. Jednou z možností je zpracování průmyslových odpadních materiálů jako surovin pro stavební hmoty a výrobky. Pro tento účel je nezbytné sledování jejich technologické a ekologické vhodnosti během vlastní výroby a následně i po ukončení procesu zrání a tvrdnutí hmoty.
Úvod
Ekonomické a ekologické nakládání s odpady vyžaduje rozvoj nových technologií pro jejich využití. Jednou z možností je zpracování průmyslových odpadních materiálů jako surovin pro stavební hmoty a výrobky. Pro tento účel je nezbytné sledování jejich technologické a ekologické vhodnosti během vlastní výroby a následně i po ukončení procesu zrání a tvrdnutí hmoty.
Výroba tenkostěnných sklovláknobetonových (SVB) kompozitů představuje jeden z moderních trendů ve vývoji stavebních hmot. Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s. se do řešení této problematiky zapojil realizací tzv. technologie premix (lití jemnozrnné betonové směsi do forem), která nahradila původní technologii stříkáním. Výrobky ze sklovláknobetonu se uplatňují na českém trhu zejména jako kabelové žlaby, fasádní dílce a různé architektonické prvky (např. balkónové výplně).
Předností těchto výrobků je zejména jejich nízká hmotnost, což výrazně snižuje náklady na přepravu, usnadňuje manipulaci a montáž a současně omezuje dopady na životní prostředí. Jemnozrnné částice ve struktuře kompozitu zajišťují nízkou nasákavost a odolnost proti mrazu. Použitím vláknové výztuže je dosaženo požadované pevnosti v tahu za ohybu i odolnosti proti rázu.
Z těchto důvodů byla výroba SVB kompozitů součástí řešení výzkumného záměru VEZPOM. Cílem tohoto záměru byl vývoj stavebních hmot s definovaným obsahem průmyslových odpadních materiálů (dále jen POM) jako náhrada přírodních surovin při současné úspoře surovinových zdrojů i ekonomických nákladů.
Řešení výzkumného záměru zahrnovalo celý soubor zkoušek k posouzení technologické i ekologické vhodnosti materiálů s obsahem POM [1, 2]. Tato studie sleduje vliv uváděných výrobků s definovaným obsahem POM na životní prostředí pomocí ekologických parametrů vstupních materiálů a výrobků, včetně stanovení těchto parametrů u souboru těles po simulaci 20 let životnosti výrobku.
Metodika
Ze širokého souboru dostupných POM bylo vybráno 5 typů odpadů pro ověření jejich vhodnosti použití do tenkostěnných vláknocementových kompozitů. Kritériem výběru byla celá řada fyzikálních a chemických vlastností, záměrně byly vybrány i takové odpadní materiály, které se svými vlastnostmi lišily od ostatních POM. Byly vybrány tyto druhy POM: PP popelovina (zbytek po hoření na roštu), PO vysokoteplotní popílek ze spalování hnědého uhlí, PT fluidní filtrový popílek ze spalování hnědého uhlí, ST struska a kotelní prach, SK škvára. Základní recepturu sklovláknobetonu tvoří portlandský cement, jemný křemičitý písek, křemičité úlety (mikrosilika), alkalivzdorné skleněné vlákno, plastifikační a odpěňovací přísada. POM byly dávkovány do směsí jako náhrada křemičitých úletů, případně ještě části písku a cementu až do celkového množství 10 % hmot. suché hmoty, které nemělo vliv na technologické vlastnosti směsí.
Z každé směsi byly vyrobeny zkušební desky o rozměrech 500×500×10 mm, ze kterých byly připraveny zkušební vzorky o rozměru 250×50×10 mm. Jedna skupina vzorků byla sestavena z výrobků po 365 dnech zrání a druhá skupina byla po vyzrání podrobena urychlené zkoušce trvanlivosti se simulací 20 let životnosti. Simulace procesu degradace ve venkovních podmínkách zahrnuje kombinované působení jednotlivých faktorů – sluneční záření, skrápění deštěm a zmrazování. Pro 1 rok se používá 5 cyklů střídavého skrápění vodou a sálání tepla a 1 cyklus zmrazování.
Ekologické parametry byly hodnoceny na základě stanovení obsahu škodlivých složek v sušině a ve výluhu a stanovení ekotoxicity. Odpady byly testovány dle příslušné legislativy [4, 5, 6, 7, 8]. Testování kompozitů s definovaným obsahem odpadů bylo provedeno dle metodického pokynu SZÚ [3]. Pro stanovení ekotoxicity byly použity 4 testy – stanovení akutní letální toxicity látek pro sladkovodní ryby [9], zkouška inhibice pohyblivosti Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) – zkouška akutní toxicity [10], zkouška inhibice růstu sladkovodních zelených řas [11] a test inhibice růstu kořene hořčice bílé [8]. Ke stanovení chemických parametrů bylo použito techniky ICP-OES (v sušině byly měřeny prvky: As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, V, Zn a ve výluhu: As, Ba, Cd, Cr, Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Zn) [12, 13], obsah rtuti byl stanoven pomocí jednoúčelového rtuťového spektrofotometru AMA [13, 14]. Pro posouzení ekologické vhodnosti byly jednotlivé hodnoty obsahu škodlivých složek srovnány s limity vyhlášky č. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu [6].
Výsledky a diskuse
Tabulka č. 1 uvádí výsledky testů ekotoxicity vlastních průmyslových odpadních materiálů. Pro odstranění případného negativního působení vysokého pH materiálu je tato hodnota ve výluhu upravována [15]. Většina vzorků byla testována jak s neupravenou, tak s upravenou hodnotou pH (údaje uváděné před a za lomítkem), v případě, že hodnota pH je příznivá pro testovací organismy, není nutné ji upravovat. Tučně vyznačené výsledky překračují limitní hodnoty dle platné legislativy [8]. V tabulkách č. 2 a č. 3 jsou uvedeny výsledky testů ekotoxicity obou testovaných skupin vzorků.
| Průmyslový odpadní materiál | mortalita ryb Poecilia reticulata [%] | imobilizace Daphnia magna [%] | inhibice/stimulace růstu Scenedesmus subspicatus [%] |
inhibice/stimulace růstu Sinapis alba [%] |
|---|---|---|---|---|
| PP neupravené pH | 0 | 2,2 | 64,5 | 10,5 |
| PO neupravené pH | 0 | 5,6 | 69,6 | 27,7 |
| ST | 10/0 | 3,3/0 | 34,0/48,7 | −2,0/20,4 |
| SK neupravené pH | 0 | 0 | 43,9 | −30,2 |
| PT | 100/30 | 100/100 | 98,9/33,5 | 46,7/50,0 |
| Sklovláknobeton s průmyslovým odpadním materiálem | mortalita ryb Poecilia reticulata [%] | imobilizace Daphnia magna [%] | inhibice/stimulace růstu Scenedesmus subspicatus [%] |
inhibice/stimulace růstu Sinapis alba [%] |
|---|---|---|---|---|
| mikrosilika 3 % | 0 | 3,3 | 6,0 | 11,4 |
| PP 10 % | 0 | 3,3 | 16,0 | 26,0 |
| PO 3 % | 0 | 5,0 | 15,7 | 19,2 |
| ST 3 % | 0 | 1,7 | 5,6 | 5,5 |
| SK 3 % | 0 | 5,0 | 12,8 | 14,8 |
| PT 10 % | 0 | 3,3 | 20,3 | 17,0 |
| Sklovláknobeton s průmyslovým odpadním materiálem | mortalita ryb Poecilia reticulata [%] | imobilizace Daphnia magna [%] | inhibice/stimulace růstu Scenedesmus subspicatus [%] |
inhibice/stimulace růstu Sinapis alba [%] |
|---|---|---|---|---|
| mikrosilika 3 % | 0 | 5,0 | 25,9 | −3,1 |
| PP 10 % | 0 | 5,0 | 20,2 | 2,7 |
| PO 3 % | 0 | 3,3 | 22,5 | 8,8 |
| ST 3 % | 0 | 11,7 | 14,9 | 10,6 |
| SK 3 % | 0 | 5,0 | 7,8 | 15,5 |
| PT 10 % | 0 | 0 | 35,7 | 14,7 |
Výsledky získané ekotoxikologickými zkouškami vyjadřují skutečnost, že vzorky vlastních odpadních materiálů jsou toxické pro organismy vodního prostředí. Zapracování odpadů do anorganických kompozitů tuto vlastnost vybraných průmyslových odpadních materiálů významně snižuje, což umožňuje jejich bezpečné využití v praxi [6, 7]. Vzorky po simulaci 20 let životnosti rovněž nevykazují toxicitu s výjimkou kompozitu s popílkem PT, který vykazuje mírnou inhibici růstu řas.
Z výsledků chemických analýz vyplývá, že většina POM překračuje povolený limit v obsahu arsenu, v případě strusky a škváry je překročena přípustná hodnota kadmia a vanadu. Zajímavé je i zjištění, že co do obsahu arsenu by limitní hodnoty pro odpady nesplnila ani standardní mikrosilika. Zapracováním se kritické obsahy škodlivin podařilo z větší části snížit, nicméně samotná receptura vnáší do sušiny materiálu vysoké obsahy chromu a niklu. U popílku PO bylo v sušině prokázáno větší množství arsenu před aplikací i po aplikaci než v jiných vzorcích. Stanovení obsahů škodlivin ve výluzích materiálů koresponduje s výsledky ekotoxikologických testů a žádný z limitů není výrazně překročen. Výsledky stanovení obou skupin kompozitů s POM jsou téměř totožné – viz tab. č. 4.
Popílek PT, který jako jediný vykazoval nadlimitní hodnoty v testech ekotoxicity, obsahoval na rozdíl od jiných vzorků větší množství síranů a CaO, a to i ve vyrobeném kompozitu. To může být příčinnou vyšší konduktivity vzorku. Jako příklad uvádíme zjištěné chemické parametry pro tento popílek.
| Složka | Limit [mg/kg] | PT [mg/kg sušiny] | PT 365 [mg/kg sušiny] | PT 20 [mg/kg sušiny] | Limit [mg/l výluhu] | PT 365 [mg/l výluhu] | PT 20 [mg/l výluhu] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| As | 10 | 22 | 14 | 17 | 0,05 | <0,013 | <0,013 |
| Ba | – | 1027 | 135 | 164 | 2 | 0,43 | 0,43 |
| Cd | 1 | <0,7 | 7,3 | 4,5 | 0,004 | <0,001 | <0,001 |
| Co | – | 25 | 10 | 11 | |||
| Cr | 200 | 93 | 252 | 262 | 0,05 | 0,073 | 0,079 |
| Cu | – | 75 | 33,6 | 43 | 0,2 | <0,024 | <0,024 |
| Mn | – | 716 | 410 | 388 | |||
| Mo | – | <12,2 | 10 | 7,6 | 0,05 | 0,015 | 0,018 |
| Ni | 80 | 59 | 552 | 609 | 0,04 | <0,008 | <0,008 |
| Pb | 100 | 44 | 45 | 49 | 0,05 | <0,024 | <0,024 |
| Sb | – | <12,8 | 17 | 25 | 0,006 | <0,022 | <0,022 |
| Se | – | <4,7 | <4,5 | <4,5 | 0,01 | <0,013 | <0,013 |
| V | 180 | 129 | 57 | 89 | |||
| Zn | – | 72 | 285 | 296 | 0,4 | <0,048 | <0,048 |
| Hg | 0,8 | 0,36 | 0,042 | 0,043 | 0,001 | <0,00004 | <0,00004 |
| SO3 celk. [%] | – | 3,18 | 1,59 | 1,83 | – | – | – |
| SO3 síran. [%] | – | 3,18 | 1,52 | 1,81 | – | – | – |
| CaO vol. [%] | – | 1,18 | 11,80 | 11,77 | – | – | – |
| Konduktivita [µS/cm] | – | – | – | – | – | 388 | 162 |
Srovnáním výsledků testování vodného výluhu není mezi skupinou vzorků po 365denním zrání a skupinou po 20leté simulaci životnosti výrazný rozdíl, a to jak ve zkouškách ekotoxikologických, tak chemických, pouze po zkoušce trvanlivosti dochází ke snížení konduktivity roztoku. Výrazný rozdíl ve zjištěném obsahu škodlivin v sušině a ve výluhu samotných POM podporuje nové trendy zařazení kontaktních testů ekotoxicity do současné baterie testů. Naše současná legislativa aktuálně zahrnuje pouze provedené testy, které jsou založeny na testování vodného výluhu materiálu. Z ekologického hlediska je tento způsob hodnocení ekotoxicity relevantní převážně pro vodní ekosystémy a rizika pro půdní ekosystémy postihuje jen nedostatečně. Také je testována pouze toxicita výluhu, a nikoli vzorek samotný, není hodnocena případná toxicita látek ve vodě nerozpustných. V neposlední řadě hodnotí tato sada pouze akutní toxicitu, žádná ze zkoušek nezjišťuje toxicitu chronickou. Dosud aplikovaná sada biotestů tedy nehodnotí komplexní ekotoxikologické riziko odpadů a výrobků z nich [16].
Zkouškami, provedenými na základě platné legislativy, bylo prokázáno, že uplatnění průmyslových odpadních materiálů jako částečné náhrady cementu a kameniva ve vláknocementových směsích je možné až do množství 10 % hmotnosti suché směsi. Při této koncentraci jsou zajištěny jak požadované fyzikálně-mechanické vlastnosti, tak i legislativou daná ekologická vhodnost.
Závěr
Využívání průmyslových odpadních materiálů jako významné složky stavebních hmot a výrobků vyžaduje objasnění řady otázek, např. podmínky tvorby vazeb v jejich struktuře, stability a trvanlivosti těchto vazeb, charakteru utvářené struktury a odolnosti v podmínkách obvyklého agresivního působení vnějšího prostředí.
Tato studie shrnuje výsledky ekotoxikologického testování vzorků sklovláknobetonu s definovaným obsahem odpadů a srovnání ekologických vlastností materiálu po 365 dnech od výroby a po simulaci 20 let životnosti výrobku. Toxické vlastnosti těchto výrobků nebyly použitými metodami až na výjimky prokázány. Studii by bylo vhodné doplnit dalšími testy (např. kontaktními) pro komplexní hodnocení ekotoxicity materiálů a výrobků.
Studie vznikla za podpory MŠMT: výzkumný záměr MSM2623251101 VEZPOM – Výzkum ekologického zpracování průmyslových odpadních materiálů.
Literatura
- [1] ČSN 72 2071 Popílek pro stavební účely. Společná ustanovení, požadavky a metody zkoušení. Praha: Český normalizační institut, říjen 2011. 32 s.
- [2] ČSN 72 2080 Fluidní popel a fluidní popílek pro stavební účely. Společná ustanovení, požadavky a metody zkoušení. Praha: Český normalizační institut, říjen 2011. 36 s.
- [3] Metodické doporučení SZÚ pro hodnocení škodlivých a nežádoucích látek uvolňujících se z vybraných skupin výrobků pro stavby do vody a půdy. Acta hygienica, epidemiologica et microbiologica 3/2001, Praha: SZÚ Praha, 2001, 12 s.
- [4] ČESKO: Vyhláška č. 383/2001 Sb. MŽP a MZD o hodnocení vyluhovatelnosti odpadů. In: Sbírka zákonů České republiky. 2001, částka 145, s. 8355–8420.
- [5] ČESKO: Vyhláška č. 376/2001 Sb., MŽP a MZD o hodnocení nebezpečných vlastností odpadů. In: Sbírka zákonů České republiky. 2001, částka 143, s. 7953–7964.
- [6] ČESKO: Vyhláška MŽP č. 294/2005 Sb. o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb. o podrobnostech nakládání s odpady. In: Sbírka zákonů České republiky. 2005, částka 105, s. 5411–5443.
- [7] Metodický pokyn odboru odpadů k hodnocení vyluhovatelnosti odpadů. Věstník MŽP, ročník XII, částka 12, prosinec 2002, s. 12–27.
- [8] Metodický pokyn odboru odpadů ke stanovení ekotoxicity odpadů. Zpravodaj MŽP, duben 2007, s. 5–14.
- [9] ČSN ISO 7346-2 Jakost vod. Stanovení akutní letální toxicity látek pro ryby. Část 2: Obnovovací metoda. Praha: Český normalizační institut, únor 1999. 15 s.
- [10] ČSN ISO 6341 Jakost vod. Zkouška inhibice pohyblivosti Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea). Zkouška akutní toxicity. Praha: Český normalizační institut, prosinec 1997. 15 s.
- [11] ČSN EN ISO 8692 Jakost vod. Zkouška inhibice růstu sladkovodních zelených řas. Praha: Český normalizační institut, červenec 2005. 17 s.
- [12] ČSN EN 13 657 Charakterizace odpadů – Rozklad k následnému stanovení prvků rozpustných v lučavce královské. Praha: Český normalizační institut, březen 1996. 15s.
- [13] ČSN EN 12 457 – 4 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). Praha: Český normalizační institut, červenec 2003. 29s.
- [14] TNV 75 7440 Jakost vod – Stanovení veškeré rtuti jednoúčelovým atomovým absorpčním spektrometrem. Praha: Český normalizační institut, duben 2009. 12 s.
- [15] PRESLOVÁ, J.: Use of ecotoxicity tests in assessment of new construction materials with reference to potential release of toxic and other undesirable substances into the water and soil. Toxicita a biodegradabilita odpadů a látek ve vodním prostředí. VÚRH JU Vodňany, 2001, s. 22–26.
- [16] VOSÁHLOVÁ, S., SIROTKOVÁ, D., HOFMAN, J., KOČÍ, V. MATĚJŮ, V., ZÁLESKÁ, M. Ekotoxicita odpadů stanovená akvatickými a terestickými zkouškami podle navržených metodických pokynů MŽP k hodnocení ekotoxicity odpadů. Analytika odpadů. Žďár nad Sázavou, 2011, s. 59–64.
This study was a part of the project for simulation of weather impact during long-term ageing of glass-fibre reinforced concrete composites containing waste on ecotoxicological properties (ekotoxicity) after 365 days from production and after 20 years of simulation of the product life cycle.