Metoda hodnocení minimalizace negativních vlivů na zdraví a životní prostředí u stavebních výrobků s použitím VEP jako náhrady přírodních materiálů
Cílem je stanovit postup pro bezpečné používání popílku ze spalování uhlí ve stavebních výrobcích. Vývoj této metody byl součástí projektu č. FW01010195 s názvem „Pokročilé výrobní technologie pro strategické využití a skladování vedlejších produktů výroby energie (VEP)“. Metoda má sloužit jako podklad pro rozhodování o nakládání s těmito materiály pro společnosti zabývající se výrobou stavebních výrobků obsahujících popílek, úředníky státní správy, Českou inspekci životního prostředí (ČIŽP), certifikační orgány, regulační orgány a další relevantní zúčastněné strany.
Elektrárna Mělník - úložiště popílku od roku 1960; Foto: Eva Čurdová, 2021
1. Úvod
Vedlejší energetické produkty (VEP) představují důležitý zdroj surovin, které mohou, po více či méně komplikovaném procesu zpracování, vstoupit jako plnohodnotné stavební materiály na trh. Vlastnosti VEP mohou představovat rizika pro znečištění životního prostředí a následně zdraví, pokud nebudou stanovena bezpečná ekologická a zdravotní kritéria pro jejich používání. Je pravděpodobné, že při jejich nevhodném používání mohou vznikat nové ekologické zátěže, které budou zdrojem rizika pro zdraví obyvatel, protože mohou způsobit znečištění podzemních a povrchových vod, dále prostřednictvím půdy mohou kontaminanty vstupovat do potravních řetězců, do ovzduší a v některých případech mohou i bránit dalšímu využití dotčených lokalit. Z těchto důvodů, v rámci řešení projektu č. FW01010195 „Pokročilé výrobní technologie pro strategické využití a skladování vedlejších energetických produktů (VEP)“, byla vypracována „Metoda hodnocení minimalizace negativních vlivů na zdraví a životní prostředí u stavebních výrobků s použitím popílků a strusek ze spalování uhlí jako náhrady přírodních materiálů“.
2. Využití popílků ze spalování uhlí pro výrobu stavebních výrobků
V případě použití popílků ze spalování uhlí při výrobě stavebních výrobků je nutno dodržovat řadu norem a nařízení. Ne všechny používané popílky však vyhovují normovaným předpisům pro stavební účely. V některých případech je popílek již částečně certifikován jako materiál vhodný pro betonářské nebo stavební použití. Z těchto hodnocení pak vyplývá závazná povinnost, jak pro producenta, tak pro zpracovatele popílku, pečovat o kvalitu výrobku včetně systému jakosti a kontroly výroby. Mohou být využity jen takové popílky, které splňují uvedenou povinnost ve vazbě na příslušnou normu výrobku a účel použití. Řada autorizovaných osob vydává certifikát výrobku, který na základě analýz popílků a jejich směsí (z akreditovaných laboratoří) vymezí jeho kvalitu a další použití. Předmětem analýz je většinou stanovení fyzikálních, mechanických a technických vlastností, na jejichž základě se vydává „Stavebně technické osvědčení“. K tomuto hodnocení kvality a používání popílku jako příměsi do stavebních produktů je nutno zařadit další analýzy, na jejichž základě by bylo možné zhodnotit nejen jejich technické, ale především zdravotní, ekologické a ekotoxické vlastnosti. To znamená stanovit koncentrace toxických prvků (hladinu nebezpečných látek) jako jejich celkový obsah ve výrobku a i jejich obsah ve výluhu pro případ jejich styku s dalšími materiály (vodní nádrže, sklad potravin a jiné). Pro posouzení zdravotní nezávadnosti je nutno provést chemické a ekotoxikologické analýzy z výrobku.
V EU doposud nebyla stanovena závazná zdravotní a environmentální kritéria pro využívání vedlejších energetických produktů, ačkoliv některé státy Evropské unie jako např. Dánsko, Německo či Nizozemsko již tato kritéria pro využívání VEP mají vypracovaná. Kvůli absenci závazných environmentálních kritérií se však mohou do životního prostředí uvolňovat škodlivé látky a je velmi pravděpodobné, že se uvolní. V České republice se především jedná o prvky jako jsou arzén, chróm, hliník, kadmium a olovo (As, Cr, Al, ale i Cd a Pb). Dále je třeba zhodnotit i ekologické riziko na základě výsledků testů ekotoxicity.
Součástí řešeného projektu bylo navrhnout vhodný postup pro analýzu a následné hodnocení vedlejších energetických produktů, které by bylo možné využít pro stavební účely. Pro hodnocení využití VEP z hlediska minimalizace negativních vlivů na zdraví a životní prostředí, byla zpracována metoda, a to na základě předešlých a současných pilotních studií prováděných SZÚ a ČVUT. Výsledky analýz lze použít pro návrhy podmínek pro využití VEP do stavebních výrobků z hlediska minimalizace zdravotních a ekologických rizik. Metoda by měla být podkladem pro novelizaci norem a platných právních předpisů.
3. Postup stanovení nezávadnosti VEP
Podle uvedené metody (uvedeno zde ve zkratce) je nejprve nutné provést kvalifikovaný odběr reprezentativního vzorku popílku autorizovanou osobou dle plánu vzorkování (ČSN EN 14899) ve vhodně zvolených časových intervalech. Reprezentativní vzorek popílku by měl být složen z dílčích vzorků z vhodně zvoleného odběrového místa, kdy odběr bude probíhat v pravidelných intervalech s patřičnou četností (cca 10 odběrů, cca 5–10 kg vzorku) po vhodně zvolenou dobu odběru (ČSN 72 2071). Poté se stanoví celkový obsah prvků v odebraných popílcích včetně jejich vyluhovatelnosti do vodného a kyselého výluhu (pH = 3). V rámci projektu byly testovány různě dlouhé doby loužení (24 h, 48 h, 10 dnů).
Dále se zhotoví zkušební tělesa (tzv. normalizované trámečky o rozměrech 40 × 40 × 160 mm). Tato zkušební tělesa se vyrábějí ze záměsi plastické malty obsahující jeden hmotnostní díl směsi cementu a popílků ze spalování uhlí, přičemž tento díl je směsí obsahující 75 % referenčního cementu CEM I (viz EN 197-1) a 25 % popílku dle definice této metodiky, dále pak tři hmotnostní díly normalizovaného písku CEN (viz EN 196-1) a půl dílu vody. Vyrobený vzorek je následně uložen a ošetřován podle EN 196-1. Vzorek se dále analyzuje, a to nejdříve po 28 dnech od data výroby vzorku.
Výrobky – testované trámečky
Obr. č. 1 Vyrobené testované trámečky
Výroba cementových malt podle EN 196-1 s náhradou cementu podle EN 450-1 popílkem, struskou, Sorfixem bez plastifikačních přísad. Směsí se plní normované kovové formy 40 × 40 × 160 mm, temperovaná vlhkostní skříň 20 ºC.
Vysvětlivky:
ETU – popílek z elektrárny Tušimice
EPO – popílek z elektrárny Poříčí
EMĚ – struska z elektrárny Mělník
ETU III EGS – energosádrovec z elektrárny Tušimice
CEM I REF referenční vzorek z certifikovaného cementu
4. Chemické analýzy
Chemické rozbory se provádějí z výluhů (extraktů) podle normovaného časového intervalu a stanovují se hodnoty koncentrací sledovaných ukazatelů.
Při vlastní analýze stanovení koncentrace rizikových prvků ve výluhu se postupuje podle normy ČSN EN 17195 Stavební výrobky – Posuzování uvolňování nebezpečných látek – Analýza anorganických látek v eluátech.
V případě potřeby získání informace o celkovém obsahu koncentrace rizikových prvků ve výrobku se postupuje podle normy ČSN EN 17196 Stavební výrobky – Posouzení uvolňování nebezpečných látek – Digesce lučavkou královskou pro následnou analýzu anorganických látek. Při vlastní analýze prvků ve výluzích se vychází z vyhlášky č. 252/2004 Sb., respektive se pracuje podle normy ČSN EN 17197.
Ze získaných výsledků celkového obsahu koncentrace prvků a koncentrace ve výluzích je možné zhodnotit potenciální zátěž a případná rizika (zdravotní, ekologická).
Obr. č. 2 Popílek – příklad výluhů arzénu
5. Ekotoxicita
Ekotoxikologické testy mohou být účinným nástrojem pro posouzení, zda lze u stavebního výrobku očekávat negativní dopad na životní prostředí. Stanovení ekotoxicity je důležité zejména v případech, kdy chemická analýza není možná nebo není považována za dostatečnou nebo když není znám vliv stanovených chemických látek na životní prostředí. Výsledky ekotoxikologického testování zahrnují nejen toxicitu všech dostupných vodných frakcí toxických složek, ale zároveň aditivní, synergické a antagonistické účinky těchto látek.
Testy ekotoxicity jsou vyžadovány v těchto případech:
- chemická analýza není dostačující a nelze identifikovat všechny složky eluátu
- nejsou známy referenční hodnoty pro všechny nebezpečné látky obsažené v eluátu
- nelze dostatečně předpovědět toxicitu směsi všech složek eluátu
Pro stavební výrobky, které jsou v přímém kontaktu s půdou, jsou relevantním nástrojem pro posouzení ekotoxicity také terestrické testy.
Princip zkoušení
Stanoví se účinek eluátu stavebního výrobku nebo v případě terestrických testů účinek zrnitého stavebního výrobku ve směsi s umělou půdou na zkušební organismy za specifických experimentálních podmínek. Pokyny pro propojení vhodných normalizovaných metod ekotoxicity s vyluhovacími metodami jsou uvedeny v CEN/TR 17105 Construction products: Assessment of release of dangerous substances – Guidance of the use of ecotoxicity tests applied to construction products. Na srovnatelnost výsledků mají zásadní vliv některé faktory, jako je způsob vyluhování, poměr vyluhovací kapaliny k povrchu zkušebního tělesa nebo výběr testovacích frakcí výluhu. Při volbě podmínek vyluhovací zkoušky musí být zohledněno využití stavebního výrobku včetně ohledu na mechanismy uvolňování nebezpečných látek do půdy, povrchových a podzemních vod.
Při stanovení kritérií pro hodnocení ekotoxicity stavebních výrobků a při interpretaci výsledků je třeba jednoznačně popsat typ a podmínky vyluhovací zkoušky, koncentraci výluhu a použitou baterii biologických testů. Prozatím nejsou jasně definována kritéria pro hodnocení různých skupin stavebních výrobků podle jejich určeného použití.
Obr. č. 3 Ekotoxicita testovaných stavebních výrobků/trámečků
V rámci studie bylo z hlediska ekotoxicity testováno 9 vzorků monolitických stavebních výrobků. Ekotoxicita byla stanovena na neředěném vodném výluhu připraveném pomocí DSLT (Dynamická zkouška vyluhováním z povrchu) pomocí baterie čtyř akvatických organismů (Daphnia magna, Aliivibrio fischeri, Desmodesmus subspicatus, Danio rerio). Výsledky neprokázaly významnou toxicitu testovaných vzorků monolitických stavebních výrobků, viz Obr. č. 3.
6. Závěr
Vyhodnocení použitelnosti stavebního výrobku s využitím VEP
Vhodnost popílků a strusek ze spalování uhlí pro použití ve stavebních výrobcích se vyhodnocuje z hlediska množství uvolněných látek do výluhu a z hlediska ekotoxicity, přičemž musí být splněna obě kritéria.
A Vyhodnocení výsledků množství uvolněných látek
Pokud jsou zaznamenány hodnoty, které jsou nižší nebo rovné limitním hodnotám u prvků uvedených v tabulce viz níže, pak lze popílek nebo strusku ze spalování uhlí hodnotit jako vhodný pro použití ve stavebních výrobcích.
| Pořadí | Místo použití výrobku | Kritické ukazatele pro stanovení vodného výluhu | NMH (nejvyšší mezní hodnota) ve výluhu [µg/l] |
|---|---|---|---|
| 1 | Popílek a struska ze spalování uhlí ve styku s pitnou vodou (v souladu s definicí materiálu v této metodice, technickými a zejména harmonizovanými normami) | Al As Be Cr Cu Pb Cd Ni V Zn | 200 – MH 10 2 50 1000 10 5 20 50 3000 |
B Vyhodnocení výsledků ekotoxicity
Pokud jsou u zkušebních organismů zaznamenány hodnoty, které jsou nižší nebo rovné limitním hodnotám inhibice při daném ředění výluhu podle hodnot uvedených v tabulce viz níže, pak lze popílek ze spalování uhlí hodnotit jako materiál vhodný pro použití ve stavebních výrobcích.
| zkušební organismus | norma | kritérium toxicity | LID |
|---|---|---|---|
| Aliivibrio fischeri | ČSN EN ISO 11348-2 | inhibice luminiscence < 20 % | LID ≤ 8 |
| Desmodesmus subspicatus | ČSN EN ISO 8692 | inhibice růstové rychlosti < 20 % | LID ≤ 4 |
| Daphnia magna | ČSN EN ISO 6341 | imobilizace ≤ 10 % | LID ≤ 4 |
| Danio rerio – embryo | ČSN EN ISO 15088 | mortalita 0 % | LID ≤ 6 |
Problematika hodnocení zdravotní nezávadnosti a využitelnosti VEP a nakládání s nimi je poměrně složitá. Obecně však platí, že VEP musí k možnosti využití ve stavebnictví, ale i v dalších oborech odpovídat požadavkům platné evropské a české legislativy a zároveň musí splňovat požadavky příslušných výrobkových norem, tak aby jejich využívání nebylo riziko pro znečištění životního prostředí a ohrožení následně zdraví.
7. Literatura
- ČSN EN 450-1+A1 Popílek do betonu – Část 1: Definice, specifikace a kritéria shody
- ČSN EN 206+A2 Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda
- ČSN EN 197-1 Cement – Část 1: Složení, specifikace a kritéria shody cementů pro obecné použití
- ČSN P 73 2404 Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda – Doplňující informace
- ČSN EN 12620+A1 Kamenivo do betonu
- ČSN EN 13055 Pórovité kamenivo
- ČSN 72 2071 Popílek pro stavební účely – Společná ustanovení, požadavky a metody zkoušení
- ČSN 72 2072-1 Popílek pro stavební účely – Část 1 až 11
- Nařízení vlády č. 163/2002 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na vybrané stavební výrobky, v platném znění
- ČSN EN 16637-1 Stavební výrobky – Posuzování uvolňování nebezpečných látek – Část 1 až 3
- ČSN EN 16637-2 Stavební výrobky – Posuzování uvolňování nebezpečných látek – Část 2: Horizontální dynamická zkouška vyluhováním z povrchu
- ČSN EN 14899 Charakterizace odpadů – vzorkování odpadů
- Vyhláška č. 409/2005 Sb., o hygienických požadavcích na výrobky přicházející do styku s vodou a na úpravu vody
- ČSN ISO 3696 Jakost vody pro analytické účely
- ČSN EN 196-1 Metody zkoušení cementu. Část 1: Stanovení pevnosti
- ČSN EN 17195 Stavební výrobky – Posuzování uvolňování nebezpečných látek – Analýza anorganických látek v eluátech
- ČSN EN 17196 Stavební výrobky – Posouzení uvolňování nebezpečných látek – Digesce lučavkou královskou pro následnou analýzu anorganických látek.
- Vyhláška č. 252/2004 Sb., kterou se stanoví hygienické požadavky na teplou a pitnou vodu a četnost a rozsah kontroly pitné vody
- ČSN 75 7221 Kvalita vod – klasifikace kvality povrchových vod
- EN 13657 Characterization of waste — Digestion for subsequent determination of aqua regia soluble portion of elements
- CEN/TR 17105 Construction products: Assessment of release of dangerous substances – Guidance of the use of ecotoxicity tests applied to construction products
- ČSN EN 14735 Charakterizace odpadů – příprava vzorků odpadu pro zkoušky ekotoxicity
- ČSN EN ISO 5667-16 Kvalita vod – Odběr vzorků – Část 16: Návod pro biologické zkoušení vzorků
- ČSN EN ISO 11348-2 Jakost vod – Stanovení inhibičního účinku vzorků vod na světelnou emisi Vibrio fischeri (Zkouška na luminiscenčních bakteriích) – Část 2: Metoda se sušenými bakteriemi
- ČSN EN ISO 8692 Kvalita vod – Zkouška inhibice růstu sladkovodních zelených řas
- ČSN EN ISO 6341 Kvalita vod – Zkouška inhibice pohyblivosti Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) – Zkouška akutní toxicity
- ČSN EN ISO 15088 Jakost vod – Stanovení akutní toxicity odpadních vod pro jikry dania pruhovaného (Danio rerio)
- ČSN EN ISO 11269-1 Kvalita půdy – Stanovení účinků znečišťujících látek na půdní flóru – Část 1 : Metoda měření inhibice růstu kořene
- ČSN EN ISO 17512-1 Kvalita půdy – Zkouška unikání pro stanovení kvality půd a účinků chemikálií na chování – Část 1: Zkouška se žížalami (Eisenia fetida a Eisenia andrei)
The aim of the methodology is to establish a procedure for the safe use of fly ash from coal combustion in construction products. The development of this methodology was part of project no. FW01010195, titled “Advanced Manufacturing Technologies for the Strategic Utilization and Storage of By-Products of Energy Production (BEP)”. The methodology is intended to serve as a basis for decision-making regarding the handling of these materials for companies engaged in the production of construction products containing fly ash, state administration officials, the Czech Environmental Inspectorate (ČIŽP), certification bodies, regulatory authorities, and other relevant stakeholders.