ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕСУРСА ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ В ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Лыков И.Н., Логинов А.А., Стрельцов А.Б., Голофтеева А.С.
Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского

Аннотация

Возрастающий объем твердых бытовых отходов требует внедрения современной системы управления твердыми отходами с использованием инновационных технологий переработки отходов. В России сбор, транспортировка и удаление отходов по-прежнему сопряжены с трудностями, в то время как в развитых странах новые технологии используются для производства различных побочных продуктов, таких как биотопливо, электроэнергия, компост и продукты рециклинга. В этом исследовании оцениваются различные технологии переработки и утилизации отходов, разработанные на сегодняшний день. Основная цель этого исследования заключается в эколого- экономической оценке различных технологических вариантов утилизации твердых коммунальных отходов. В результате этого обзора был сделан вывод о том, что твердые коммунальные отходы являются потенциальным возобновляемым источником энергии. На каждый доллар, вложенный на сокращение количества ТКО, можно получить более пяти долларов прибыли.

Ключевые слова: отходы, полигоны, компостирование, сжигание, переработка.
Keywords: waste, landfills, composting, incineration, processing.

Учитывая быстрый рост населения и урбанизацию, ежегодный уровень образования отходов постоянно растет. В 2016 году в городах мира образовалось 2,01 млрд. тонн твердых отходов, что составило около 0,74 кг на человека в день. Ожидается, что в связи с быстрым ростом населения и урбанизацией ежегодное производство отходов увеличится на 70% с уровня 2016 года до 3,40 миллиарда тонн в 2050 году. Путь к сокращению образования отходов и увеличению повторного использования отходов является одним из наиболее сложных в экологической политике. Если не управлять отходами должным образом, то создаст различные социальные и экологические проблемы, включая загрязнение воздуха, почвы и воды, распространение болезней и выбросов парниковых газов, в частности метана, в атмосферу. Но эффективное управление отходами стоит дорого (от 20% до 50% муниципального бюджета) [1, 2, 3].

Для того, чтобы стимулировать экологически чистую экономическую деятельность и добиваться более высокого уровня жизни необходимо изменение концепции управления отходами. Управление отходами можно определить как процесс, в котором различные виды отходов собираются, обрабатываются и перерабатываются для того, чтобы превратить их в полезные материалы или утилизировать их экологически безопасным способом. В последние десятилетия управление отходами превратилось из отрасли, в которой основное внимание уделялось утилизации отходов, в отрасль, которая нацелена на их рекуперацию и использование в энергетике.

Управление отходами направлено на минимизацию количества отходов и снижение негативной нагрузки на окружающую среду. Для реализации этих целей в ЕС принята долгосрочная стратегия управления отходами («Иерархия управления отходами»), направленная на создание энергоэффективной и ресурсосберегающей экономики, снижение негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека. Её основная цель заключается в снижении количества отходов на фоне экономического роста [4, 5].

Иерархия управления отходами предусматривает переход от линейной экономики к циркулярной. Основная концепция линейной экономики в обобщенной форме представлена тезисом: «бери, производи, потребляй и распоряжайся». Циркулярная экономика предусматривает минимальную стоимость продуктов, материалов и ресурсов, сводя к минимуму использование отходов и ресурсов. В этом контексте ЕС призывает преобразовать управление отходами в устойчивое управление материальными ресурсами, которое включает в себя принципы циркулярной экономики, увеличивает использование возобновляемой энергии, повышает эффективность использования не возобновляемой энергии. Например, в Германии только 1% твердых бытовых отходов попадает на свалку, а 35% твердых отходов используется в качестве сырья для производства энергии. В Великобритании и Швеции ежегодно перерабатывается около 50% бытовых отходов [6]. Япония направляет 80% своих твердых отходов на производство энергии.

Более 90% всех отходов в России размещаются на свалках и полигонах, которые формируют значительную экологическую нагрузку за счет изъятия земельных ресурсов и эмиссий в атмосферу и водные объекты в местах размещения отходов. Подобная линейная стратегия управления отходами в России способствовала накоплению более 38 млрд. тонн отходов на площади более 40 тысяч км2. Это сопоставимо с территориями таких стран, как Эстония, Дания, Швейцария или Бельгия.

Ежегодно площадь свалок в России увеличивается на 0,4 млн. га. По оценкам Министерства природных ресурсов и экологии в Российской Федерации, ежегодно образуется около 60 млн. тонн ТКО, что составляет более 400 кг на душу населения. В результате в период с 2000 по 2015 год объем захоронения на российских полигонах почти удвоился – с 151,2 млн до 282,3 млн кубометров, а емкость полигонов заполнена на 65-70%. Если количество отходов продолжит расти, то к 2025 году мощности полигонов России должны быть удвоены. Поэтому в последнее время этот метод становится все менее популярным из-за нехватки площадей, интенсивного загрязнения окружающей среды и социальной напряженности.

Морфологический состав захороненных отходов на полигоне весьма разнороден. Около 60% отходов составляют продукты, которые могут служить легко утилизируемыми субстратами для микроорганизмов (пищевые отходы и бумажные изделия). Около 10% отходов составляют полимерные материалы и резиновые изделия, т.е., вещества, для полной минерализации которых требуется длительный период физико-химического и биологического воздействия. Основная часть пищевых отходов представлена продуктами С3-растений, а также отходами животных при их потреблении. Бумага и бумажные изделия в основном представлены С3-растениями [7].

Некоторой альтернативой размещению ТКО на полигонах является компостирование, при котором органические отходы распадаются на богатый питательными веществами компост, который улучшает плодородие почвы. Богатый питательными веществами компост может быть использован в качестве удобрения для растений. Основными недостатками компостирования являются, длительный период времени, которое необходимо для разложения органических материалов на компост, а также большие земельные ресурсы. Поэтому компостирование пока возможно только в небольших масштабах.

Полигоны ТКО по существу являются антропогенным месторождением биогаза. Образование метана на полигоне ТКО представляет собой сложный и многоступенчатый процесс. Он зависит от динамики формирования микробных ассоциатов, участвующих в деградации разновозрастных продуктов на свалках и от условий, определяющих интенсивность бактериального метанобразования. В российских условиях из 1 м3 свалочного биогаза может быть произведено от 1,5 до 3,0 кВт электроэнергии. Это означает, что при полном использовании запасов биогаза на полигонах может быть произведено более 350 млн. МВт электроэнергии в год. Но рыночного (бездотационного) использования биогаза, образующегося на полигонах ТКО, в настоящее время в России практически нет. Кроме того, сжигание биогаза ограничено высокой стоимостью природоохранных устройств на энергогенерирующих установках. Несмотря на востребованность альтернативного топлива на мировых рынках сотни миллионов кубометров биогаза растворяются в атмосфере. Если стоимость одного литра биогаза составляет 20-25 рублей, то в атмосферу ежегодно уходит более 180 трлн. рублей.

Превращение отходов в энергию может быть ключевым моментом в циркулярной экономике. Твердые бытовые отходы на 70-80% состоят из горючих, биоразлагаемых компонентов, таких как пищевые и растительные остатки, биомасса, древесина, макулатура, картон, пластмасса и полимерные вещества. Благодаря содержанию этих компонентов твердые бытовые отходы рассматриваются как низкосортное твердое топливо с теплотворной способностью 5-6 МДж/кг.

Наиболее распространенной технологией извлечения энергии из отходов является сжигание и использование произведенного тепла для выработки полезной энергии (в форме электричества или тепла). Большинство современных установок по сжиганию отходов в настоящее время имеют энергоэффективность около 30% [8]. Основным преимуществом сжигания по сравнению с другими вариантами является эффективность удаления отходов. Слабые стороны мусоросжигательных заводов связаны с их стоимостью, социальными и экологическими проблемами [9, 10]. Сжигание отходов сопровождается выбросом токсичных газов, которые могут содержать тяжелые металлы и диоксины. Побочным продуктом процесса сжигания является зола, утилизация которой также является экологической проблемой.

За годы эксплуатации мусоросжигательных заводов разработаны более эффективные средства очистки золы и токсичных газов, разработаны более строгие регламенты их функционирования. Технология сжигания отходов успешно применяется во Франции, в Германии, Великобритании, Италии и Швеции. По данным за 2017 год в Германии насчитывалось 68 установок по сжиганию муниципального мусора мощностью около 20 миллионов тонн и около 30 электростанций [11]. Сжигание уменьшает объем отходов до 90 процентов от первоначального количества. За счет утилизации отходов только в Европе ежегодно вырабатывается более 28 млрд. кВт-ч электроэнергии и примерно 69 млрд. кВт-ч тепловой энергии. Это позволяет экономить до 38 млн. тонн органического топлива и предотвращать выбросы парниковых газов до 37 млн. тонн в год [12] .

Вместе с тем завышенные затраты на функционирование мусоросжигательных заводов делают сжигание ТКО экономически эффективным методом только для крупных городов Для относительно небольших городских поселений, в которых образуется менее 500000 тонн ТКО в год, технологии сжигания экономически нецелесообразны.

Среди термических способов утилизации отходов следует выделить пиролиз и пламенную газификацию. Пиролизом (или термолизом) называют процесс физико- химического разложения органических соединений на составные части, протекающий при высоких температурах (от 400 °С до 1000 °С). При пиролизе твердое вещество превращается в жидкое состояние, а жидкость превращается в газ. Определенное количество вредных и токсичных компонентов, содержащихся в пиролизном газе, окисляется, сгорает и выделяется в атмосферу, что обусловливает необходимость применение газоочистки, аналогичной процессам сжигания отходов. Однако, количество образующихся дымовых газов при пиролизе существенно меньше (в 3-5 раз), чем при сжигании ТКО. Поэтому эксплуатационные затраты на газоочистку при пиролизе ТКО будут сравнительно меньше.

Плазменная газификация является еще одной формой обращения с отходами. Плазма — это в первую очередь электрически заряженный или сильно ионизированный газ, температура которого превышает 7000°С. Во время обработки плазменной газификацией ТКО полностью утилизируются без выделения токсичных веществ. Плазменная газификация ТКО избавляет муниципалитеты от необходимости создавать новые полигоны.

Разделение ТКО на фракции позволяет более эффективно использовать отходы в качестве альтернативного источника энергии. Данная технология внедрена на заводе
«Лафарж» в Калужской области. Производственные мощности цеха альтернативного топлива на заводе «Лафарж» рассчитаны на 450000 тонн поступающего сырья в год. Этот объем сырья после переработки дает 150000 тонн альтернативного топлива, где 1 тонна соответствует 15 ГДж энергии. Компания планирует, что к 2020 замещение природного газа альтернативным топливом достигнет 45%. Использование альтернативного топлива позволит «Лафарж» повысить экономическую эффективность производства цемента, т.к. энергозатраты составляют почти треть от себестоимости производства.

В качестве альтернативного топлива на заводе планируется использовать сортированные и измельченные коммунальные и промышленные отходы (бумага, картон, пластик, текстиль, резина, дерево), а также отработанные шины. Работа цементных печей завода «Лафарж» обеспечивает полную и экологически безопасную переработку отходов без образования побочных продуктов (золы и вредных выбросов) и какого-либо влияния на качество цемента.

В мировой практике все большее распространение получает раздельный сбор и переработка ТКО. Сегодня в странах Европейского Союза собираются отдельно и перерабатываются более 40% ТКО, в то время как в России не более 6%. Переработка ТКО является наиболее экологически чистым методом, так как позволяет сократить потребление энергии, уменьшить объем свалок, уменьшить загрязнение воздуха и воды, сократить выбросы парниковых газов и сохранить природные ресурсы для будущих поколений. Наиболее распространенными предметами, пригодными для переработки, являются пластик, бумага, стекло и алюминий. Производство новых продуктов из переработанных материалов сохраняет природные ресурсы, такие как древесина, вода и минералы.

Фактически, переработка даже 1 тонны бумаги экономит 17 деревьев и более 26000 литров воды. Производство стекла из переработанных материалов снижает загрязнение воздуха на 20 процентов, а использование переработанного алюминия и бумаги может снизить загрязнение воздуха на 95 процентов по сравнению с производством этих продуктов из первичных материалов. Производство алюминиевой банки из переработанных материалов требует на 95% меньше энергии, чем создание такой же банки из первичных материалов.

Использование вторсырья дает возможность предприятиям серьезно снижать издержки. Например, экономия от использования вторсырья при производстве упаковки составляет в среднем 20% от себестоимости. А снижение себестоимости при использовании стеклобоя для производства стекла может составлять до 50%. Основным недостатком технологии переработки является их дороговизна. Но быстрый рост населения делает необходимым использование бывших в употреблении продуктов и разумное использование существующих. Несмотря на дороговизну технологий переработки ТКО, на каждый доллар, вложенный на сокращение количества ТКО, можно получить более пяти долларов прибыли.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 17-06-00129

Литература:

Rimaityte I., Rungas T., Denafas G., Racys V., Martuzevicius D. Application and evaluation of forecasting methods for municipal solid waste generation in an eastern-European city // Waste management and research. – 2012. – vol. 30(1). – pp. 89-98.
Jean-François Perrot I.D., Alison Subiantoro. Municipal Waste Management Strategy Review and Waste-to-Energy Potentials in New Zealand // Sustainability 2018, 10, 3114.
Directive 2008/98/EC of the European Parliament and of the Council of 19 November 2008 on waste and repealing certain Directives. Chapter 15 Volume 034 P. 99 – 126.
Decision No 1386/2013/EU of the European Parliament and of the Council of 20 November 2013 on a General Union Environment Action Programme to 2020 ‘Living well, within the limits of our planet.
Waste statistics — Statistics Explained — Europa.eu. Data extracted in September 2015.
Муравьев А.И., Баскунов Б.П., Лауринавичус К.С. и др. Использование изотопной масс- спектрометрии для оценки масштабов эмиссии биогенного метана в атмосферу на свалке твердых бытовых отходов (г. Калуга) // Масс-спектрометрия. 2009, Том 6, №1, с. 21-30