Využití demoličního odpadu a biocharu v hybridní mokřadně-extenzivní zelené střeše

1. Úvod

V souvislosti s probíhající změnou klimatu lze očekávat nárůst extrémních projevů počasí, zvyšování teploty, změnu rozložení srážek v průběhu roku a zejména jejich vyšší intenzitu. Zelené střechy jsou považovány za jedno z řešení adaptace a zmírnění tohoto klimatického extrému (IPCC, 2014). Pomáhají snižovat negativní projevy městského tepelného ostrova (UHI) díky navyšování evapotranspirace povrchu a zvyšují vlhkost okolního vzduchu. Pokud se vlhkost zelené střechy zvýší zavlažováním, je dosaženo lepšího ochlazovacího účinku (Li a kol., 2014). Na druhou stranu vysušená zelená střecha poskytuje menší chladicí účinek než tzv. reflexní střecha (např. hydroizolace světlé barvy). K dosažení výrazného chladicího účinku je proto nutné zavlažování. Využití pitné vody je neudržitelné a drahé. Zelenou střechu je ovšem možné zavlažovat i šedou vodou (Ghisi a Ferreira 2007; Pradhan, Al-Ghamdi, a Mackey 2019).

Budování zelených střech může mít negativní dopad na životní prostředí v důsledku použití velkého množství v přírodě těžených hornin a na výrobu energeticky náročných materiálů jako je expandovaný jíl (Cascone, 2019). Z důvodu tlaku na snížení těchto nepříznivých účinků roste v souladu s konceptem cirkulární ekonomiky snaha o používání recyklovaných materiálů při stavbě zelených střech (Ghisellini a kol., 2016). Koncept cirkulárního hospodářství je součástí nové strategie EU v oblasti životního prostředí a reakce na změnu klimatu, známé jako „Green Deal“ (Smol a kol. 2020). V případě zelených střech jsou těmito recyklovanými materiály například stavební recyklát, drcená cihla, porcelán, pěnové sklo nebo jiný inertní stavební odpad, upravené kaly z čistíren odpadních vod atd. (Cascone, 2019). Potenciálně schůdnou možností tedy může být použití recyklované drcené cihly ze stavebních demolic a biocharu z kalů čistíren odpadních vod.

Cílem projektu bylo zmapovat vliv biocharu a stavebního recyklátu na kvalitu a objem odtoku ze zelených střech při současném zavlažování šedou vodou, navrhnout a otestovat inovativní substráty zelených střech a ověřit funkčnost konceptuálního propojení zelené střechy a umělého mokřadu ve funkčním celku hybridní střechy.

2. Materiál a metody

Experimentální sestava se skládá ze dvou hlavních částí. Z hlediska průtoku vody představuje první část umělý mokřad, do kterého je nárazově v denních intervalech čerpána šedá voda. Z mokřadu voda přetéká na zelenou střechu. Umělý mokřad je tvořen usměrňovacími komorami pro rovnoměrný nátok a odtok vody a zatopeným prostorem filtru naplněným 50 l expandovaného jílu frakce 8–16 mm (keramzitu) osazeným mokřadními rostlinami. Část experimentální sestavy se zelenou střechu je tvořena několika vrstvami popsanými v řezu na Obr. 1. Na nerezové konstrukci vodotěsné vany vyrovnané do podélného sklonu 5 % je umístěna geotextilie, na ni minerální vata tloušťky 5 cm, na vatě leží přibližně 10 cm substrátu s podílem recyklovaných materiálů vlastního návrhu. Na vrstvu substrátu byla umístěna vegetační rozchodníková rohož dodaná společností SEDUM TOP SOLUTION s.r.o. Vegetační rohož tvořená kokosovým vláknem protkaným polypropylenovou síťkou obsahuje 5–8 druhů rozchodníků a má mocnost 2,5 až 4 cm. V závislosti na nasycení dosahuje hmotnosti 12–18 kg/m². Šedá voda použitá pro závlahu experimentálních sestav pochází z umyvadel (šatny, toalet, kancelářské kuchyňky, vybrané laboratoře), ze sprch u šaten a z kondenzátu vzduchotechniky budovy výzkumného centra AdMaS, VUT v Brně. Voda je před načerpáním do umělého mokřadu a využitím na závlahu předčištěna technologií ASIO AQUALOOP (aerace a membránová filtrace).

Obr. 1. Model experimentální sestavy se znázorněním měřicí techniky

Jedna ze dvou experimentálních sestav hybridní mokřadně-extenzivní zelené střechy je znázorněna na Obr. 1. V průběhu zavlažovacího pulzu je vyčištěná šedá voda vytlačena z mokřadu nově čerpanou šedou vodou na zelenou střechu a začíná nový cyklus čištění vody založený na mikrobiální aktivitě podpořené mokřadními rostlinami. Vytlačovaná vyčištěná voda je rovnoměrně distribuována po šířce střechy díky žlabu s přepadovou hranou. Voda se za přepadovou hranou vsakuje do souvrství zelené střechy a minerální vatou je distribuována rovnoměrně po celé její ploše.

Byly zhotoveny dvě identické experimentální sestavy lišící se pouze použitým substrátem v části zelené střechy. Dva odlišné substráty byly vybrány na základě předchozího testování většího množství experimentálních směsí. Celkem bylo navrženo 16 variant inovativních substrátů se zastoupením stavebního recyklátu na bázi cihelné drti, pyrolyzovaného čistírenského kalu, rašeliny, kompostu, expandovaného jílu a drcené opuky. Pro všechny navržené směsi byly stanoveny hydrofyzikálních charakteristiky. Za účelem dalšího zjišťování vlivu biocharu v substrátu v reálných podmínkách byl jeden substrát navržen s jeho příměsí a druhý bez něho. Složení je chráněno užitným vzorem¹.

Obr. Popis aparatury

3. Výsledky a diskuse

Z Obr. 2 je vidět, že přítok šedé vody, tedy zálivka, je pro obě plochy velmi podobný. Kumulativní odtok ze dvou ploch je ale rozdílný. Z plochy P2 (bez biocharu) odtéká více vody než z plochy P1 (s biocharem). Pravděpodobnou příčinou je nižší evapotranspirace (ET) zapříčiněná vlivem menšího rozvoje vegetace z důvodu nižší dostupnosti nutrientů na ploše P2. Vliv 14 litrů biocharu aplikovaného na ploše P1 na vázání vody je v tomto případě zanedbatelný. Množství takto vázané vody, které se může v bilanci projevit pouze jednorázově je výrazně menší než zjištěný rozdíl v odtoku. Biochar na ploše P2 je navíc zastoupen rašelinou, která má přinejmenším srovnatelnou schopnost vázat vodu jako použitý biochar. Nutrienty ploše P1 dodává biochar z minerálně bohatého čistírenského kalu. V počátku sledovaného období v druhé polovině srpna při závlahové dávce 6 l.den⁻¹ (3,2 mm) nedocházelo k žádnému, nebo jen velmi malému odtoku v řádu několika desetin litru. Vypočítaná ET odpovídala tomuto množství zálivky. Po zvýšení zálivky na 10 l.den⁻¹ dochází k výraznějšímu odtoku, který je pro experimentální účely nezbytný.

Obr. 2. Kumulativní nátok a odtok z experimentálních ploch s denním srážkovým úhrnem a evapotranspirací dle kombinovaného výpočtu Penman-Monteith a Penman rovnice vyjádřené taktéž kumulativně

Během 10denní vzorkovací kampaně byl sledován průběh široké škály látkových koncentrací a mimo jiné i průběh koncentrací nutrientů v různých částech systému. Způsob závlahy, kdy je po přepadu na zelenou střechu voda distribuována minerální vatou nezpůsobuje vyplavování nutrientů z biocharu. Naopak v reakci na srážku jsou zvýšené koncentrace nutrientů dusíku a fosforu na odtoku z plochy s biocharem jasně patrné. Na ploše bez biocharu ke zvýšení nedochází. Koncentrace nutrientů N a P jsou v porovnaní s literaturou (Kuoppamäki a Lehvävirta, 2016) nízké, ale díky zavlažování dochází k většímu celkovému objemu odtoku. Patrné je rovněž snížení koncentrace nutrientů oproti zásobní nádrži s šedou vodou.

Obr. 3. Průběh koncentrací nutrientů v různých částech experimentálních sestav v průběhu 10denní vzorkovací kampaně. Detekční limit koncentrace dusíku 1 mg/l.

4. Závěr

Vegetace na obou plochách hybridní mokřadně-extenzivní zelené střechy se substrátem s podílem recyklovaných materiálů dobře prosperuje a závlaha šedou vodou se neprojevila negativním způsobem. Vlivem větší zásoby nutrientů dochází na ploše s biocharem k výraznějšímu rozvoji vegetace a tím pádem k vyšší evapotranspiraci a nižšímu odtoku. V reakci na srážku jsou z plochy s biocharem uvolňovány vyšší koncentrace nutrientů. Systém prokázal schopnost koncentrace nutrientů snižovat. Pro širší implementaci řešení hybridní střechy je vhodné provést experiment s umístěním na skutečnou zelenou střechu a napojením na kontinuální zdroj šedé vody. Pro komerční uplatnění substrátu je nutné jeho další testování z hlediska obsahu toxických látek, zejména pak těžkých kovů, v recyklátech. Zde nastíněná problematika využití stavebního recyklátu v hybridní zelené střeše je komplexně popsána v článku (Petreje a kol. 2023).

Literatura

1. Cascone, S., 2019. Green roof design: State of the art on technology and materials. Sustainability.
   https://doi.org/10.3390/su11113020
2. Ghisellini, P., Cialani, C., Ulgiati, S., 2016. A review on circular economy: The expected transition to a balanced interplay of environmental and economic systems. J. Clean. Prod. 114, 11–32. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.09.007
3. Ghisi, E., Ferreira, D.F., 2007. Potential for potable water savings by using rainwater and greywater in a multi-storey residential building in southern Brazil. Build. Environ. 42, 2512–2522. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2006.07.019
4. Kuoppamäki, K., Lehvävirta, S., 2016. Mitigating nutrient leaching from green roofs with biochar. Landsc. Urban Plan. 152, 39–48. https://doi.org/10.1016/j.landurbplan.2016.04.006
5. Li, D., Bou-Zeid, E., Oppenheimer, M., 2014. The effectiveness of cool and green roofs as urban heat island mitigation strategies. Environ. Res. Lett. 9. https://doi.org/10.1088/1748-9326/9/5/055002
6. IPCC: Pachauri, R.K., Meyer, L., Hallegatte France, S., Bank, W., Hegerl, G., Brinkman, S., van Kesteren, L., Leprince-Ringuet, N., van Boxmeer, F., 2014. IPCC 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report, Kristin Seyboth (USA). Gian-Kasper Plattner, Geneva.
7. Petreje, M., Sněhota, M., Chorazy, T., Novotný, M., Rybová, B., Hečková, P., 2023. Performance study of an innovative concept of hybrid constructed wetland-extensive green roof with growing media amended with recycled materials. J. Environ. Manage. 331, 117151. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.117151
8. Pradhan, S., Al-Ghamdi, S.G., Mackey, H.R., 2019. Greywater recycling in buildings using living walls and green roofs: A review of the applicability and challenges. Sci. Total Environ. 652, 330–344.
   https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.10.226
9. Smol, M., Marcinek, P., Duda, J., Szołdrowska, D., 2020. Importance of Sustainable Mineral Resource Management in Implementing the Circular Economy (CE) Model and the European Green Deal Strategy. Resources 9, 1–3.
   https://doi.org/10.3390/resources9060078

Poděkování

Výzkum by realizován v rámci projektu REVOZIM podpořeného prostřednictvím Centra pokročilých materiálů a efektivních budov CAMEB (TN01000056) |Technologickou agenturou České republiky.

Poznámka

¹ ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE. Substrát pro zelené střechy. Česká republika. Užitný vzor CZ 34637 U1. 8.12.2020. ... Zpět