Оптимизация системы обращения с твердыми коммунальными отходами как фактор Безопасности экологической среды

Краткое описание

ОГЛАВЛЕНИЕ с

Введение 3

1. Обращение с твердыми коммунальными отходами и их влияние на окружающую среду 13

1.1. Твердые коммунальные отходы 13

1.2. Система обращения с отходами 21

1.3. Современные технологии снижения воздействия отходов

на геоэкологическую среду 43

1.4. Задачи диссертационных исследований 52

2. Основные положения методики оптимизации системы обращения с отходами 54

2.1. Многофакторный анализ сложных природно-технических систем 54

2.2. Методические аспекты определения характеристик твердых коммунальных отходов 68

2.3. Информационное обеспечение решения задачи 82

2.4. Выводы по главе 2 89

3. Приложения методики критериально-факторного анализа 90

3.1. Морфологический состав несортированных жилищных отходов в Санкт-Петербурге 90

3.2. Модель морфологического состава твердых коммунальных отходов 97

3.3. Оценка геоэкологических показателей в системе обращения с твердыми коммунальными отходами 104

3.4. Выводы по главе 3 114 Выводы 116 Список литературы 117 Приложения 141
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Глобальные экологические проблемы носят междисциплинарный характер. К концу XX века развитие смежных наук: географии, геологии, экологии вышло на такой уровень в изучении состава, строения, свойств и процессов физических и геохимических полей геосфер Земли, на котором было образовано новое научное направление — геоэкология [7,15,16,18,37,39, 43, 51, 68, 70, 71, 74, 139, 143]. Толкование термина геоэкология вызвало ряд научных дискуссий о понимании ее места среди прочих наук, а также определении областей исследования. Наиболее полный обзор на тему толкования понятий геоэкологии был опубликован в [70, 71], где отмечается, в частности, что "в основе дефиниции геоэкологии лежит корень "геос", означающий связь с Землей, а не с геологией или географией". Так, согласно [70] термин геоэкология упрощенно можно трактовать как сокращенное понятие "экологические проблемы Земли". При этом сформулировано следующее определение: геоэкология - междисциплинарная наука, изучающая абиотическое вещество геосферных оболочек Земли как компоненту окружающей среды и минеральную основу биосферы. В центре внимания геоэкологии находятся верхняя часть литосферы и процессы, происходящие в ней под влиянием природных и техногенных факторов. Основной задачей геоэкологии является изучение изменений жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек под влиянием природных и антропогенных факторов, их охрана, рациональное использование и контроль с целью сохранения для нынешних и будущих поколений людей продуктивной природной среды.

Качество геоэкологической среды формируется под воздействием множества факторов, обусловленных, в частности, хозяйственно-бытовой деятельностью человека, одним из проявлений которой является проблема накопления отходов.

Согласно "Концепции национальной безопасности Российской Федерации" к числу приоритетных направлений в области обеспечения экологической безопасности относятся:

• борьба с загрязнением природной среды за счет повышения степени безопасности технологий, связанных с захоронением и утилизацией токсичных промышленных и коммунальных отходов;

• создание экологически чистых технологий;

• рациональное использование природных ресурсов. Интенсивное развитие потребительского рынка привело к увеличению

объемов образования твердых коммунальных отходов (ТКО), во много раз превышающих аккумулирующую способность окружающей среды крупных городских мегаполисов и малых дачных поселений. Свидетельство тому -данные о количестве несанкционированных свалок ТКО, приводимые в ежегодных отчетах о состоянии окружающей среды РФ [78-81, 138].

Анализ действующих нормативных документов [5,14, 19-23,29,115,118, 119] позволяет отметить появление нового определения относительно понятия отходов хозяйственно-бытовой деятельности - твердые коммунальные отходы (ТКО), заменившего общепринятое распространенное определение - твердые бытовые отходы (ТБО). В связи с тем, что большая часть диссертационной работы была выполнена до утверждения дополнений к Федеральному классификационному каталогу отходов (Приложение к Приказу МПР РФ от 30 июля 2003 г. N 633), в диссертации используются оба определения.

Несмотря на то, что схема организации обращения с ТКО имеет свои особенности в различных регионах РФ, установлено, что более 90% объемов ТКО в целом по стране подлежат захоронению на специально оборудованных полигонах и свалках [45]. Это говорит о низкой эффективности существующей системы обращения с отходами, о

недостаточной способности этой системы совершать работу по вовлечению вещества и энергии в кругооборот.

На практике при решении указанной проблемы применяется главным образом хозяйственный подход, основные задачи которого сводятся к следующему:

• санитарная очистка населенных мест;

• извлечение полезного продукта из массы отходов и вовлечение его во вторичный ресурсный цикл;

• захоронение отходов в соответствии с санитарно-эпидемиологическими, токсикологическими, экологическими и другими требованиями действующих на территории РФ нормативных документов.

Цель организации системы обращения с отходами состоит в обеспечении безопасного для человека и окружающей среды обезвреживания отходов и сбережении природных ресурсов. Основными принципами, на которых строится концепция обращения с отходами, являются: минимизация количества отходов и содержания в них опасных для человека и окружающей среды веществ, вовлечение отходов во вторичное использование как сырье или как источник получения энергии, обезвреживание отходов.

Обращение с отходами должно включать в себя учет их образования, сбор и транспортирование, переработку, складирование перед переработкой или захоронение. Переработка отходов направлена на снижение количества отходов и снижение опасности отравления человека и окружающей среды. Также она должна быть ориентирована на максимальное вовлечение отходов в ресурсный цикл, т.е. в повторное использование как сырье или источник получения энергии.

Во многих странах внедрена и успешно функционирует система раздельного сбора некоторых компонентов ТКО для последующего вовлечения их во вторичный ресурсный цикл. Кроме того, отходы, разделенные на монофракции, имеют более стабильные свойства, что

упрощает технологию дальнейшей переработки и существенно снижает риск загрязнения окружающей среды. С организацией селективного сбора возможно управление составом отходов с учетом требований технологий их последующей предобработки и захоронения. В России нет опыта в применении селективной системы сбора отходов в городских или региональных масштабах. Есть только примеры маломасштабных пилот-проектов по раздельному сбору некоторых компонентов.

Специфика крупных мегаполисов применительно к вопросу утилизации ТКО заключается в следующем:

- темп развития торговли, покупательная способность населения в крупных городах значительно выше, следовательно, и процесс накопления отходов происходит гораздо интенсивнее, чем в небольших городах и поселках;

- территории, входящие в состав мегаполисов, существенно различаются по плотности населения, промышленной и жилой застройке, а также наличием пригородных рекреационных территорий сезонного проживания;

- развитие крупных мегаполисов сопровождается расширением их территорий, уплотнением застройки и увеличением численности населения;

- большое разнообразие видов отходов, различающихся по источникам образования, токсичности и физико-химическим свойствам.

Технологии утилизации отходов, применяемые на действующих мусороперерабатывающих комплексах, устаревают с появлением новых синтетических материалов или не справляются с объемами накапливающихся ТКО. Примером тому горящие мусоросборники, замусоренные городские дворы и несанкционированные свалки на пригородных территориях.

В соответствии с Российским законодательством утилизация отходов, отвечающая современным экологическим требованиям, является

неотъемлемым компонентом обеспечения экологической безопасности страны [73, 87, 107,115 - 117]. Необходимость обеспечения природоохранных мероприятий при обращении с ТКО ставит задачу разработки новых технологических схем утилизации, включающих раздельный сбор отходов на местах образования, первичную обработку полезных материалов, биокомпостирование и безопасное сжигание неутилизируемого остатка.

Основой для планирования системы обращения с ТКО является информация о количестве их накопления и данные основных характеристик. Несмотря на имеющийся научный задел, воздействие, оказываемое на окружающую среду при обращении с отходами, изучено недостаточно. Прежде всего, это определяется многокомпонентностью состава ТКО и его изменением из-за появления новых материалов на рынке потребления.

Одной из ключевых задач при выборе оптимального варианта системы обращения с ТКО является проведение комплексного анализа показателей целевых свойств, полученных в результате проектирования различных вариантов схем. Проблема заключается в сведении их к единому критерию, позволяющему как охарактеризовать общую эффективность системы в целом, так и провести сравнительный анализ расчетных вариантов.

Можно выделить два подхода к обеспечению экологической безопасности при обращении с отходами. Первый основан на различных лимитах использования воды, земли, выбросов загрязнений. Эти лимиты широко применяются в инженерной практике, но обладают существенным недостатком, который выражается как "сохранение без развития" [37, 68, 139, 144]. Система экологических ограничений обладает консервативным свойством и может быть принята как временная мера сохранения природной среды. По мере использования природных ресурсов всегда возникает ситуация, требующая оптимизации принимаемых решений.

Второй подход основан на формировании новых систем человек -природа, когда технический объект является элементом природно-

8

технической системы (ПТС). ПТС может определяться как система взаимодействия природного и технического объектов в интересах использования и сохранения природной среды [60, 125]. В ПТС экологический фактор приобретает значение критерия в отличие от роли ограничителя при лимитном принципе. Лимиты на использование природных ресурсов при таком подходе применяются только как способ регулирования. Основной принцип ПТС - "развитие без разрушения". Эта система организована многочисленными связями: прямые связи — потоки энергии и вещества; обратные связи - изменение абиотических факторов (климат, качество воды, почвы и воздуха и др.). ПТС управляется за счет запаса и обмена информацией, получаемой от экологического мониторинга. Применительно именно к таким системам может быть сформулирован принцип экологической безопасности и устойчивого развития, определяющий комплекс условий сохранения структуры и функционального значения ПТС под воздействием природных и антропогенных факторов.

Для ПТС важным аспектом является экологический мониторинг и моделирование. Одна из конечных целей моделирования - это управление технологическими и экологическими процессами в интересах стабилизации или развития ПТС.

Принцип экологической безопасности основывается на устойчивом взаимодействии всех компонентов ПТС, которое может проявляться в экономических показателях, социальных условиях и качестве природной среды. Результаты функционирования ПТС при этом выступают в роли локальных критериев, которые могут быть свернуты в интегральный критерий.

Методика оптимизации системы обращения с ТКО для защиты геоэкологической среды от загрязнения подразумевает проведение анализа жизненного цикла системы, включающего следующие задачи:

1. Формализованное описание системы обращения с отходами:

- определение основных этапов утилизации ТКО;

- характеристика потоков отходов.

2. Инвентаризация факторов взаимодействия системы с окружающей средой:

- учет внешних факторов влияния на систему;

- идентификация факторов влияния на окружающую среду на каждом этапе.

3. Поиск зависимости между характеристиками элементов системы и факторами влияния на качество окружающей среды.

4. Оценка возможности управления системой для снижения негативного влияния на окружающую среду.

Взаимодействие системы с геоэкологической средой осуществляется в виде переноса материальных или энергетических потоков на всех этапах -потери отходов при сборе и транспортировании, загрязняющие выделения свалочных масс, газовые выбросы в атмосферу при сжигании отходов, возврат вторичных ресурсов в технологический цикл, получение электроэнергии или тепла при энергетической утилизации ТКО.

Работа выполнялась в соответствии с федеральными, региональными и международными программами:

Проект "Экспедиция для геоэкологических исследований районов складирования и переработки бытовых отходов" (№ Е0185) Федеральной Целевой Программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки" (ФЦП "Интеграция"), 2001 г.

Проект "Прогноз состояния окружающей среды полигонов хранения твердых бытовых отходов в Санкт-Петербурге" в рамках программы конкурсных проектов Санкт-Петербурга в сфере научной и научно-технической деятельности по направлению экология, 2002 г.

Проект "Международное и региональное научно-техническое сотрудничество по обоснованию систем обращения с твёрдыми бытовыми

10

отходами" (№ 257 - 1440) по научной программе Минобразования РФ "Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие её научного потенциала", 2001-2002 гг.

Проект "Предподготовка и безопасное размещение твердых бытовых отходов (ТБО) и осадков сточных вод (ОСВ) для защиты окружающей среды" (ICA2-CT-2000-10040) в рамках научно-исследовательской программы Еврокомиссии INCOCOPERNICUS-2, 1999-2003 гг.

Проект "Разработка плана природоохранных мероприятий при обращении с бытовыми отходами Санкт-Петербурга" (LIFE02 TCY/ROS/039) в рамках программы Еврокомиссии ЛАЙФ, 2002 — 2005 гг.

Целью работы является разработка методики научного обоснования природоохранных мероприятий в многовариантной концепции развития системы обращения с ТКО для обеспечения геоэкологической безопасности урбанизированной среды.

В первой главе выполнен обзор существующей практики обращения с ТКО, проанализированы их основные характеристики, рассматривается концепция системного подхода к утилизации отходов. Во второй главе описаны методики, разработанные для решения задач диссертационных исследований. В качестве практического приложения диссертации в третьей главе приводятся результаты решения прикладных задач: определения компонентного состава потоков ТКО в Санкт-Петербурге, модель морфологического состава ТКО жилищных отходов, результаты лабораторного эксперимента по оценке показателей качества окружающей среды в системе обращения с ТКО в период биоактивности свалочных отложений на полигоне хранения ТКО.

Аналитический обзор по проблематике работы выполнен на основании трудов специалистов и ученых, работающих в области геоэкологии и безопасного обращения с отходами: Абрамова Н. Ф., Арефьева Н. В., Венцюлиса Л. С, Донченко В. К., Лихачева Ю. М., Масликова В. И.,

и

Мирного А. Н., Разнощика В. В., Семина Е. Г., Скорика Ю. И., Федорова М. П., Cossu R., Stegmann R. и многих других.

Объектами исследования являются потоки твердых коммунальных отходов в Санкт-Петербурге, полигон хранения ТКО, система обращения с ТКО от этапа сбора до захоронения на специальных полигонах.

Предметом исследований является морфологический состав несортированных жилищных отходов, поступающих на утилизацию, параметры загрязнения природной среды жидкими и газообразными выделениями свалочных масс различного состава ТКО, поступающие в природную среду от полигонов хранения, имитационная модель системы обращения с ТКО.

Научная новизна работы заключается в

- адаптации метода многофакторного анализа и многокритериальной оценки сложных природно-технических систем к задаче оптимизации системы обращения с ТКО для обеспечения экологической безопасности геоэкологической среды;

- разработке комплексного подхода для информационного обеспечения задачи оптимизации системы обращения с ТКО, включающего натурные исследования, лабораторный эксперимент и математическое моделирование;

- разработке математической модели морфологического состава несортированных жилищных отходов.

Результаты диссертационной работы имеют практическое значение для городского жилищно-коммунального хозяйства при разработке генеральных схем санитарной очистки городов, на различных этапах создания программ обращения с городскими коммунальными отходами, для технико-экономического обоснования выбора технологий сбора, утилизации и захоронения отходов.

Основные положения методики критериально-факторного анализа для выбора оптимальной схемы обращения с ТКО были использованы при

12

разработке Плана природоохранных мероприятий при обращении с муниципальными отходами Санкт-Петербурга (проект Комитета природопользования и экологической безопасности СПб и программы ЕС Лайф) на этапах: Задание II "Существующий состав бытовых отходов и обращение с ними", Задание IV Разработка ТЭО "Плана природоохранных мероприятий для обращения с муниципальными твердыми отходами Санкт-Петербурга".

Материалы диссертационных исследований использованы при подготовке программ по учебным курсам "Обращение с отходами" и "Процессы и аппараты защиты окружающей среды" (в разделе "Классификация общих и специальных методов переработки твердых отходов") для специальности "Инженерная защита окружающей среды" в СПбГПУ.

13

1. ОБРАЩЕНИЕ С ТВЕРДЫМИ КОММУНАЛЬНЫМИ ОТХОДАМИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.

1.1. Твердые коммунальные отходы.

Отходы - материалы и изделия, образовавшиеся в процессе производства и потребления, могут составлять значительную часть полезного продукта. По мере увеличения антропогенной деятельности относительно естественных процессов их абсолютный объем возрастает, создавая социальные, экономические и экологические проблемы.

Существуют различные виды отходов - промышленные, строительные, коммунальные, медицинские и др. В соответствии с [119] виды отходов разделяют по источникам происхождения, по агрегатному состоянию, опасным свойствам и классам опасности для окружающей среды. Различные виды отходов могут обладать как общими, так и специфическими свойствами, требующими особого подхода при обращении с каждым из них.

Определения и виды отходов подлежат учету в соответствии с официальными нормативными документами (госты, классификационные каталоги и кодификаторы). Ниже перечислены основные документы, действующие в настоящее время на территории РФ и касающиеся отходов хозяйственно-бытовой деятельности:

- Федеральный Закон от 24 июня 1998 г. № 89-ФЗ "Об отходах производства и потребления".

- ГОСТ 30772-2001 Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Термины и определения.

- Федеральный классификационный каталог отходов (утвержден Приказом МПР РФ от 2 декабря 2002 г. N 786) и дополнения к нему (Приложение к Приказу МПР РФ от 30 июля 2003 г. N 633).

14

- Классификационный каталог отходов потребления (твердых бытовых и приравненных к ним отходов), находящихся в технологическом цикле объектов инженерной инфраструктуры городских и сельских поселений (введен Постановлением Комитета РФ по строительству и жилищно-коммунальному комплексу с 1 января 2003 г.).

Анализ действующих нормативных документов [19-23,29,88,89,115,119] позволяет отметить появление нового определения относительно понятия отходов хозяйственно-бытовой деятельности - твердые коммунальные отходы (ТКО), заменившего общепринятое распространенное определение -твердые бытовые отходы (ТБО). Такая замена может быть связана с необходимостью выделения в отдельную категорию части потоков отходов, ранее относившихся к ТБО.

На рис. 1.1.1 приведены основные виды отходов в составе ТКО.

ТВЕРДЫЕ КОММУНАЛЬНЫЕ ОТХОДЫ (ТКО)

ТВЕРДЫЕ БЫТОВЫЕ ОТХОДЫ (ТБО) КРУПНОГАБАРИТНЫЕ ОТХОДЫ (КГО) СТРОИТЕЛЬНЫЕ ОТХОДЫ ОТХОДЫ ПРЕДПРИЯТИЙ ТОРГОВЛИ ПРОЧИЕ

Рис. 1.1.1. Классификация твердых коммунальных отходов

Ранее виды отходов, показанные на рис. 1.1.1 не выделялись отдельно и попадали под определение ТБО (или как отходы, аналогичные ТБО). Такая замена не всегда была справедлива, т.к. вышеперечисленные виды ТКО различаются по составу и характеристикам. В Федеральном классификационном каталоге РФ (2002) и Классификационном каталоге отходов, введенном Госстроем РФ (2003), прежнее определение "твердые бытовые отходы" отсутствует. Вместо него используется определение —

15

отходы из жилищ несортированные или многокомпонентная смесь сложного состава. В диссертационной работе для обозначения данного вида ТКО предлагается использовать прежнее устоявшееся определение — твердые бытовые отходы (ТБО).

Как показано на рис. 1.1.1 в составе ТКО могут быть выделены следующие виды отходов: твердые бытовые отходы (ТБО), крупногабаритные отходы (КТО) от населения и от организаций, коммерческие отходы (упаковка и мусор от предприятий розничной и оптовой торговли), отходы строительства и ремонта, прочие.

К ТБО относятся несортированные отходы из жилищ и бытовых помещений организаций (смешанные твердые жилищные отходы).

КГО выделены в особую категорию. К ним относятся отходы, размеры и вес которых превышают параметры, разрешенные для складирования в типовые мусоросборные контейнеры ТБО. Например, старая мебель и ее обломки, бытовая техника: телевизоры, холодильники, газовые плиты. Строительный мусор от ремонта квартир, сантехника также относятся к КГО. В настоящее время объем накопления КГО в жилых кварталах существенно вырос и требует разработки собственной системы сбора, вывоза и дальнейшей утилизации [11, 17, 48]. Строительные отходы - отходы постройки и разборки зданий также должны быть выделены в особую категорию ТКО. КГО и строительные отходы в диссертационной работе не рассматриваются.

Основную долю отходов предприятий торговли составляет тара и упаковка от реализуемых товаров. В отличие от смешанных грязных ТБО отходы коммерческих торговых предприятий легче разделить на стадии сбора по различным видам вторсырья - бумага, картон, пластмасса, стекло. Именно для этого вида отходов наибольшую эффективность может иметь внедрение раздельного сбора отходов. Выделение отходов торговли в

16

¦-.

отдельную категорию ТКО связано прежде всего с введением различных тарифов на вывоз отходов для муниципального и коммерческого сектора.

К прочим ТКО могут быть отнесены отходы уборки территорий, отходы предприятий, подобные бытовым, отходы транспортной сферы.

Недостатком существующей системы учета ТКО является отсутствие таких категорий, как

- ТКО сортированные (металл, стекло, бумага, текстиль, упаковка),

- опасные отходы в составе ТКО.

Так, например, на рис. 1.1.2 показаны графики изменения состава ТКО, характерные для крупных городов Европы, построенные по данным [147-150, 159, 163, 168]. Из графика видно, что большая доля ТКО приходится на сортированные жилищные и коммерческие отходы, поступающие на переработку и во вторичное использование.

1 600 000

? сортированные отходы предприятий торговли, поступающие в рециклинг

? сортированные ТБО, поступающие в систему рецикл инга

? несортированные отходы предприятий торговли

В крупногабаритные отходы ¦ несортированные ТБО

1993 1995 1997 1999 2001 2002 2003 Рис. 1.1.2. Динамика состава твердых коммунальных отходов в странах ЕС, т/год

Количество несортированных отходов снижается, особенно в коммерческом секторе. Увеличивается доля возврата полезных материалов в рециклинг. Изменение состава ТКО в Европе связано с внедрением системы природоохранных мероприятий при утилизации отходов, одним из которых является ограничение на количество отходов, поступающих на захоронение.

17

Анализ данных о потоках ТКО позволяет выделить две основные группы источников их образования: жилищный фонд и прочие (рис. 1.1.3).

Так, по данным [147-150] показано, что вклад источников жилищного фонда в поток ТКО является определяющим: на их долю приходится до 70% от общего веса собираемых ТКО, остальные 30% распределяются между прочими объектами городского хозяйства.

ИСТОЧНИКИ ОБРАЗОВАНИЯ ТКО

жилой фонд

постоянного проживания

сезонного проживания

многоквартирные дома

индивидуальная застройка

Виды благоустройства:

• канализация

• центральное отопление

• газопровод

• электричество

• мусоропровод

• прочее

ПРОЧИЕ

объекты городского хозяйства (включая коммерческие)

государственные

учреждения и

предприятия

предприятия

общественного питания

розничная торговля,

рынки

гостиничный сектор

объекты туризма и

отдыха

предприятия

развлечений и спорта

вокзальные комплексы

дорожное хозяйство

поверхность акватории

города

садово-парковое

хозяйство

прочие арендаторы

Рис. 1.1.3. Классификация источников образования ТКО

Список литературы