Střešní kořenová čistírna v kombinaci se zelenou střechou ze substrátu na bázi recyklovaných materiálů přináší komplexní cirkulární řešení pro ozelenění střech. Zavlažování odpadní vodou umožňuje růst na vodu náročnější vegetace s vyšším evaporačním ochlazovacím účinkem při zachování nulové spotřeby pitné vody, což vede k vytvoření rozmanitého biodiverzního stanoviště. Odpadní voda obsahuje množství nutrientů, což odstraňuje potřebu dodatečného hnojení. V souvrství zelené střechy je použit nově registrovaný cirkulární střešní minerální substrát skládající se z podstatné části z recyklovaného suťového demoličního odpadu a na nutrienty bohatého pyrolizovaného čistírenského kalu.
1. Úvod
Klimatická změna přináší častější výskyt suchých období s tropickými teplotami obvykle následované intenzivními bouřkovými epizodami. V urbanizovaných oblastech pociťují obyvatelé v plné síle efekt městského tepelného ostrova (Lwasa et al., 2022). Zadržení a zpomalení dešťového odtoku zelenými střechami a pozvolné uvolňování vody pomocí zelených střech je prokazatelně účinným adaptačním opatřením (Li a kol., 2014) podporujícím navíc městskou biodiverzitu přinesením zeleně do hustě zastavěných oblastí. Při delších bezdeštných dnech s vysokými teplotami je však voda v souvrství zelené střechy dochází a evapotranspirace ustává, což vede ke snížení výše popsaných benefitů zelené střechy. Závlaha pitnou vodou je z ekonomických i environmentálních důvodů nevhodná. Alternativou je využití odpadní vody, kterou člověk produkuje při své každodenní činnosti bez ohledu na počasí. S výhodou lze využít zejména šedou vodou – odpadní voda ze sprch a umyvadel s relativně nízkou úrovní znečištění produkovaná domácnostmi každý den ve stabilním objemu, kterou lze poměrně snadno upravit na parametry užitkové vody vhodné pro závlahu.
Pro tuto úpravu může být efektivně využita nově vyvinutá hybridní zelená střecha (HGR), která v sobě spojuje mělkou střešní modulární kořenovou čistírnu odpadní vody s horizontálním zatopeným filtrem a semi-intenzivní zelenou střechu. Voda předčištěná v kořenové čistírně zavlažuje semi-intenzivní zelenou střechu a posiluje tak její ochlazovací i estetický efekt a umožňuje vysazení na vodu náročné vegetace při zachování relativně nízké plošné hmotnosti zelené střechy. Princip cirkularity hybridní zelené střechy je dále podpořen použitím substrátu pro zelené střechy na bázi recyklovaných materiálů. Výroba materiálů pro běžně používané substráty zelených střech představuje zátěž pro životní prostředí, protože tyto substráty obsahují horniny těžené v přírodě a na výrobu energeticky náročné materiály jako je expandovaný jíl. Jejich částečnou náhradou recyklovanými složkami lze negativní dopad výroby substrátu na životní prostředí omezit.
2. Materiál a metody
Vývoj hybridní zelené střechy proběhl ve dvou fázích, přičemž v první fázi byl koncept testován na dvou vyvýšených experimentálních plochách popsaných v publikaci Petreje et al., (2023). V tomto experimentu byla zkoumána schopnost HGR (Hybrid Green Roof) čistit šedou vodu, vliv závlahy touto vodou na vegetaci, použití cihelného recyklátu a vliv příměsi pyrolyzovaného čistírenského kalu (karbochar) do semi-intenzivní zelené střechy oproti kontrolní ploše bez karbocharu. Ve druhé fázi byl v létě 2024 vybudován prototyp HGR na střeše Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT v Buštěhradu (ČVUT UCEEB) pro ověření možností plné implementace sysu (Obr. 1) pro praktické využití.
Hybridní zelená střecha
Funkční princip patentovaného řešení hybridní zelené střechy (PAT č. 310 326, 2025) na střeše ČVUT UCEEB je patrný z (Obr. 1). Ve tříkomorovém kompaktním septiku je mechanicky předčištěna odpadní voda, která následně přetéká do čerpací šachty. Pro šedou vodu může být septik nahrazen průtočným filtrem s proplachem umístěným přímo v čerpací šachtě. Jako čerpací šachta může případně sloužit i poslední komora septiku. Z čerpací šachty je mechanicky předčištěná voda čerpána do střešní kořenové čistírny – střešního mokřadu skládajícího se z modulárních plastových žlabů propojených vzájemně pomocí vodotěsného přírubového spoje. Plastové žlaby jsou prefabrikovány z polypropylenu a před propojením vodorovně vyrovnány dle sklonu střechy pomocí polystyrenových spádových klínů. Mokřadní sys se skládá ze tří typů modulů. 1× modul nátokový; 2× modul středový a 1× modul odtokový. Modularita velikosti sysu je dosažena libovolným počtem středových modulů a možností instalace rohového modulu pro změnu směru žlabu, přičemž jeden modul je dlouhý 95 cm, široký 80 cm a vysoký 25 cm. Výška hladiny vody v plastových mokřadních modulech je 20 cm. Nátokový a středové moduly jsou vyplněny filtrační náplní z lehčeného keramického kameniva frakce 1/4, popř. 8/16 mm a osazeny směsí mokřadní vegetace v hustotě ca 3 ks/modul. Odtokový modul je osazen pulsním vypouštěčem pracujícím na plovákovém principu a sloužícím pro skrápění zelené střechy vodou po průtoku mokřadem. Odtok z tohoto pulsního vypouštěče je dále veden na plochu zelené střechy pomocí potrubí, které je v příslušných částech na spodní straně perforováno. Skrze perforace natéká voda do drenážní vrstvy zelené střechy s hydroakumulační funkcí vyhotovené z hydrofilní minerální vaty ISOVER tl. 3 až 5 cm, která současně slouží ke kapilární a gravitační distribuci vody z mokřadního žlabu na celou plochu zelené střechy. Z drenážní vrstvy je voda přístupná pro rostliny zelené střechy rostoucí v substrátu tl. 3–4 cm uloženém nad minerální vatou. Tímto způsobem je zelená střecha rovnoměrně zavlažována stabilním, udržitelným a levným zdrojem vody, zároveň ale voda primárně neprotéká substrátem a nevyplavuje z něj živiny. Čistící kapacita sysu je závislá na stupni znečištění použité odpadní vody, počtu modulů mokřadního žlabu, ploše navazující zelené střechy a cílových parametrech předčištěné užitkové vody. Obecně se, ale pohybuje okolo 15–30 l/den/modul.
Na střeše ČVUT UCEEB jsou testovány tři různé skladby zelené střechy na stejné 5 cm tlusté vrstvě minerální vaty. První skladba se skládá z 4 cm vrstvy cirkulárního střešního substrátu a biodiverzního vegetačního koberce umístěných nad vatou. Druhá skladba je tvořena 4 cm cirkulárního střešního substrátu osazeného rozchodníkovými sazenicemi. Třetí skladba s 4 cm substrátu smíchaného v poměru 1:3 z trávníkového substrátu a cirkulárního substrátu je ozeleněna travním kobercem. Jednotlivé skladby jsou monitorovány vlhkostními a teplotními čidly.
Obr. 1. Funkční schéma sysu hybridní zelené střechy
Cirkulární substrát s reCihli pro zelené střechy na bázi recyklovaných materiálů
Podstatná část materiálu v cirkulárního substrátu (Obr. 2) zelené střechy je nahrazena recyklovaným materiálem. Jedná se konkrétně o speciálně vícestupňově čištěný stavební suťový recyklát s převážným zastoupením drcených cihel, pyrolyzovaný čistírenský kal a kompost. Substrát je chráněn užitným vzorem (UV č. 34637, 2020) a je vyráběn ve spolupráci s firmou BB Com s.r.o. pod označení „Substrát s reCihli Florcom“, kde reCihli odkazuje na vícestupňově tříděný suťový recyklát ze stavebního demoličního odpadu v objemovém množství min. 25 %. Druhou recyklovanou složkou v substrátu je pyrolyzovaný kal v objemovém množství 5 až 10 % pocházející z obecních čistíren odpadních vod. Tento kal je upraven pyrolýzním procesem, při kterém je termicky hygienizován a jsou z něho tak odstraněny potenciálně nebezpečné zbytky farmak a dalších rizikových látek. Dalšími materiálovými složkami je v substrátech běžně používaný drcený expandovaný jíl, kompost, popř. rašelina.
Obr. 2. Substrát pro zelené střechy na bázi suťového recyklátu a biocharu z pyrolizovaného čistírenského kalu
3. Výsledky a diskuse
Konstrukční řešení, těsnost a spolehlivost propojení mokřadních žlabů byla ověřena při realizaci funkčního prototypu hybridní zelené střechy na střeše budovy ČVUT UCEEB v Buštěhradu (Obr. 3). HGR sys v průběhu první vegetační sezóny prokázal schopnost udržet intenzivní monokulturní trávník na relativně tenkém substrátovém podkladu a dobře prospívaly i další dva druhy vegetace. V blízkosti rozvodného potrubí předčištěné odpadní vody byl patrný vyšší rozvoj vegetace, a to i přes rovnoměrnou vlhkost minerální vaty v celé ploše po spádu střechy. To naznačuje zachycení živin z předčištěné odpadní vody v blízkosti rozvodného potrubí a omezené pronikání s vodou po celé ploše zelené střechy.
Obr. 3. Hybridní zelená střecha na budově ČVUT UCEEB v Buštěhradě, realizace srpen 2024
Experimenty provedené na vyvýšených experimentálních ploškách hybridní zelené střechy prokázaly schopnost sysu efektivně snižovat znečištění původem z šedé vody, stejně jako obsahu nutrientů dusíku a fosforu (Petreje et al., 2023). Experiment potvrdil, že HGR umožňuje stabilní a efektivní využití šedé a potenciálně i splaškové vody pro vegetaci během vegetační sezóny, aniž by došlo k nadměrnému vyplavování živin a znečištění. Nicméně z měřených dat z vyvýšených experimentálních ploch HGR (Obr. 5) je při dešti patrný mírně zvýšený obsah vyplavovaných živin z plochy s aplikovaným biocharem původem z čistírenského kalu oproti ploše bez biocharu (Obr. 4). Lze předpokládat, že vyplavování nutrientů by nastalo i v případě hnojení běžnými NPK hnojivy.
Obr. 4. Graf koncentrace fosforu obsažených v ortofosforečnanech (PO₄³⁻) na experimentálních plochách HGR se substráty s příměsí stavebního recyklátu. Substrát na ploše P1 navíc obsahuje biochar původem z kalu. Na ploše P2 biochar nahrazen rašelinou.
Příměs stavebního cihelného recyklátu neměla negativní vliv na růst vegetace. Přidání biocharu z čistírenského kalu se ukázalo jako účinná podpora růstu vegetace (Obr. 5). Zdrojový materiál je bohatý na nutrienty fosforu a dusíku, které je navíc schopný postupně uvolňovat a tím výrazně podpořit počáteční růst vegetace a významně omezit potřebu hnojení.
Obr. 5. Vliv přítomnosti biocharu z čistírenského kalu bohatého na nutrienty v substrátu pro zelené střechy na ploše vlevo. Vpravo plocha bez biocharu. Fotografováno 08/2022 – dva roky po založení.
4. Závěr
Výsledky experimentu potvrdily, že hybridní zelená střecha umožňuje stabilní a efektivní využití šedé a potenciálně i splaškové vody pro vegetaci, aniž by došlo k nadměrnému vyplavování živin a znečištění. Klíčové je správné nastavení vodní bilance ve vztahu k čistící kapacitě sysu a míře znečištění odpadní vody. Hybridní zelená střecha představuje slibnou technologii pro udržitelný management vody v městském prostředí, který přispívá k ochlazování budov, redukci odtoku srážkové vody, biodiverzitě a snížení spotřeby pitné vody. Díky schopnosti integrovat recyklované materiály přispívá také k cirkulární ekonomice a snižování environmentální stopy stavebních projektů. Sys je v současnosti připraven k plnohodnotnému nasazení ve výstavbových projektech.
Poděkování
Výzkum by realizován v rámci projektu REVOZIM podpořeného prostřednictvím Centra pokročilých materiálů a efektivních budov CAMEB (TN01000056) |Technologickou agenturou České republiky. Práce byla rovněž podpořena v rámci projektu GACR 21-09093S, Grantovou agenturou ČVUT v Praze, grant č. SGS23/154/OHK1/3T/11 a Projektem SIC Transferového voucheru.
Tento výzkum byl podpořen projektem NBSINFRA – Nature-Based Solutions Integration to Local Urban Critical Infrastructures Protection for a Climate Resilient Society, financovaným z programu Horizon Europe, Grant Agreement No. 101121210.
Seznam literatury
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
Lwasa, S., Seto, K.C., Bai, X., Blanco, H., Gurney, K.R., Kilkiş, S., Lucon, O., Murakami, J., Pan, J., Sharifi, A., Yamagata, Y., 2022. IPCC Chapter 8, Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press.
https://doi.org/10.1017/9781009157926.010
Petreje, M., Sněhota, M., 2025. Patent 310 326: Střešní sys pro čištění odpadních vod, zejména šedých vod.
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
Sněhota, M., Petreje, M., Pavlů, T., Chorazy, T., Raček, J., 2020. Užitný vzor 34637: Substrát pro zelené střechy. 34 637.
Komentář recenzenta prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., MBA, VUT FAST v Brně, Ústav vodního hospodářství obcí
Článek představuje inovativní koncept hybridní zelené střechy (HGR), která kombinuje kořenovou čistírnu odpadní vody se zelenou střechou na bázi recyklovaných materiálů. Text je odborně podložený, dobře strukturovaný a opírá se o experimentální data i literaturu. Silnou stránkou je propojení principů cirkulární ekonomiky s adaptací na klimatickou změnu, což zvyšuje jeho praktickou hodnotu pro udržitelnou výstavbu. Pro zlepšení či další publikaci doporučuji rozšířit diskusi o dlouhodobou udržitelnost sysu, legislativní požadavky pro využití šedé vody a ekonomické aspekty (náklady vs. úspory). Jazyk by mohl být místy zjednodušen pro širší odbornou veřejnost a interpretace grafů více rozvinuta. Přínosné by byly vizualizace vodní bilance, praktická doporučení pro implementaci a upozornění na environmentální rizika spojená s použitím pyrolyzovaného kalu. Článek doporučuji k publikaci.
