Текст книги "Отходы России в начале XXI века. Обзор, анализ, прогнозы"

Состав отходов

Ежегодно в городах и поселках России, по скромным оценкам, образуются десятки миллионов тонн бытовых отходов [41–43,52]. На работах со сбором, вывозом, размещением и утилизацией, а также с уничтожением этого невообразимо огромного количества мусора трудятся десятки тысяч работников. Мусорные полигоны и свалки постоянно пополняются вышедшими из обращения и потерявшими потребительские свойства изделиями, веществами, продуктами.

Все их описать невозможно, однако эти объекты можно систематизировать по признакам и классам и осмыслить что и сколько ненужных объектов возникает в процессе человеческой деятельности.

Отметим, что увеличение разнообразия товаров народного потребления в последние десятилетия способствовало усложнению состава твёрдых бытовых отходов (ТБО), в частности, насыщение их новыми полимерными материалами. Они обладают высокой сопротивляемостью (резистентностью) к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, весьма удобны и красивы, но быстро выходят из моды, попадая на свалки.

При рассмотрении всего комплекса проблем, связанных со сбором, транспортировкой, обезвреживанием и утилизацией ТБО, в первую очередь ставится вопрос о составе и свойствах этих объектов. Если для решения вопроса сбора и транспортировки ТБО достаточно информации об их влажности и плотности, то при выборе метода и технологии обезвреживания и последующей утилизации необходимо получить полную информацию о составном и элементном составе и свойствах мусора, в том числе теплотехнических, а также о содержании в нём органического вещества, удобрительных элементов и т. п.

ТБО по составу подразделяются на следующие основные компоненты [52]:

бумагу, картон;

пищевые отходы;

древесина;

металл (чёрный и цветной);

текстиль;

кости; стекло;

кожу, резину;

камни;

полимерные материалы;

прочие (неклассифицируемые фракции);

отсев менее 15 мм.

По единой методике, принятой Европейскими странами, в этот список иногда добавляется компонент "садовые отходы" [41]. Процентный массовый состав отходов для разных климатических зон приводится в таблице 1.

При решении вопроса о целесообразности использования утильных компонентов ТБО проводят более подробный анализ состава отходов, дифференцируя бумагу на: условно чистую (утильную) и загрязнённую;

– металл на изделия из железа и жесть (консервные банки);

– пластмассу – на упаковочную и изделия из пластиков.

Таблица 1

Морфологический состав ТБО для разных климатических зон, % по массе[52]

Анализ сезонных изменений состава ТБО показывает увеличение в них содержания пищевых отходов с 20…25 % весной до 40…55 % осенью. Это, очевидно, связано с большим употреблением овощей и фруктов в рационе питания (особенно в городах южной зоны). Зимой и осенью сокращается содержание мелкого отсева (уличного смёта) с 20 до 7 % в городах южной зоны и с 11 до 5 % в средней зоне.

Ориентировочный состав пищевых отходов представлен в таблице 2.

Таблица 2

Ориентировочный состав пищевых отходов, % [41]

Органический состав пищевых отходов (% общей массы) представлен в таблице 3.

Таблица 3

Химический состав пищевых отходов (% общей массы) [41]

На соотношении составляющих бытовых отходов весьма значительное влияние оказывает ряд факторов: степень благоустройства жилого фонда, сезоны года, вид топлива, наличие и развитие промышленности, разнообразие общественного питания, снабжение торговли. Особенно заметны различия в содержании пищевых, отходов, стекла, металла и отсева.

Химический состав отходов является важной характеристикой ТБО. Качество получаемого в процессе переработки ТБО органического удобрения или биотоплива зависит от физического и химического состава исходных компонентов. В таблицах 4 и 5 по данным работы [41] приведены такие характеристики для разных климатических зон.

Таблица 4

Химический состав ТБО, % сухой массы

Таблица 5

Характеристика компонентов ТБО по некоторым физическим параметрам [42]

В отходах многих городов значительную часть (от 10 до 25 %) составляют мелкие фракции мусора, проходящие сквозь сито с ячейками размером 16 мм (земля, зола, пищевые крошки) плотностью до 800 кг/м³. Особую группу в составе твёрдых бытовых отходов занимают крупногабаритные отходы, к которым относят старую мебель, холодильники, громоздкие столы и стенки и т. п. Перед их вывозом и утилизацией необходима предварительная обработка.

Отмечается некоторая разница в составе отходов разных городов нашей страны и других стран. Данные среднегодового морфологического состава твёрдых бытовых отходов по отдельным городам России и отдельным странам Мира могут существенно отличаться. Так, содержание бумаги и картона изменяется от 18,1 до 30 %, а пищевых отходов от 28 до 45 %. Существенные различия наблюдаются и в содержании в мусоре металла и стекла, что соответственно составляет (2,2–7,4)% и (2,7-13,1)%. Эти данные представлены в таблицах 6, 7 и 8.

Таблица 6

Cостав ТБО в отдельных городах России, в % [42]

Таблица 7

Среднегодовые данные (%) морфологического состава ТБО (г. Калуга, 1996–1998 гг.),[42]

Таблица 8

Среднегодовой состав ТБО некоторых стран мира, %

Анализ этих таблиц показывает, что состав отходов, образующихся в городах России, может значительно отличаться от состава ТБО, приведённых зарубежных стран.

Изменение состава отходов на рубеже веков

Процессы ускоренного развития человеческого общества проявляются не только в появлении новой техники и в освоении человеком фантастических и грандиозных проектов, но и в создании неведомых ранее мусорных объектов. Изобретение полимерных материалов, освоение околоземного космического пространства, внедрение нанотехнологий и композитных материалов в технические и медицинские разработки привели к заметному изменению состава «мусорной корзины». Состав отходов заметно меняется не только от века к веку, но и от десятилетия к десятилетию.

При изучении современных бытовых отходов у исследователей создается впечатление, что они состоят в основном из полимерной упаковки, бумаги и картона. На самом деле это не так, но этот эффект объясняется относительно большими объёмами и малой плотностью (20–70 кг/м²) отходов 21-го века по сравнению с отходами века предыдущего. Полиэтиленовая плёнка, бумага и картон, повсеместно используемые как упаковочные материалы, создают большие проблемы при уборке, раздельном сборе, транспортировке и утилизации современного мусора. Эти компоненты составляют от 25 до 40 % от массы ТБО. Значительную часть современных бытовых отходов (25–35 %) составляют пищевые отходы. Они имеют высокую плотность (около 500 кг/м³) и характеризуются значительной влажностью (70–92 %).

Для сравнения в качестве примера в таблице 9 приведены данные об изменении состава отходов г. Москвы в период с 1928 по 1999 годы.

Таблица 9

Изменение морфологического состава ТБО г. Москва (% по массе, с учетом содержания влаги и загрязнения)[42]

Надо иметь в виду, что в общем случае на состав бытовых отходов влияют такие факторы, как климатическая зона, степень благоустройства жилищного фонда (наличие мусоропроводов, газа, водопровода, канализации, системы отопления), этажность, вид топлива при местном отоплении, развитие общественного питания, культура торговли и, что не менее важно, образ жизни и степень благосостояния населения [43].

До 1990 года, в зависимости от климатической зоны, в СССР классифицировался следующий морфологический состав ТБО (таблица 10)

Таблица 10

Морфологический состав ТБО в СССР для различных зон, % массы

При проведении подобных исследований содержимое контейнеров были разделено на следующие компоненты:

– органические – сюда были включены пищевые отходы, опавшие листья, скошенная трава;

– макулатура – бумага и картон, включая упаковку;

– пластмасса – все полимеры высокой и низкой плотности, т. е пластик, пластмасса, целлофан и т. д.;

– металл – все цветные и чёрный металлы;

– текстиль – все текстильные изделия, включая искусственные;

– стекло – все изделия, состоящие полностью из стекла;

– строительные – отходы после ремонта, сноса жилых зданий, исключая пластмассу, стекло, металл, макулатуру;

– биологические – трупы и части тел домашних животных;

– опасные – отходы, содержащие токсичные вещества, такие как ртутные лампы, градусники и т. д.;

– резина – резиновые изделия; вымет уличный, отходы, образовавшиеся при уборке полотна дороги и публичных мест;

– дерево – деревянные изделия, утратившие свои потребительские свойства.

Через два десятилетия измерения показали другие значения компонентов свалки (Таблица 11).

Таблица 11

Из сопоставления данных этих таблиц видно, что основную часть ТБО по массе на исследуемых участках составили органические отходы.

До 1990 года в СССР средняя плотность ТБО по благоустроенным жилым и общественным зданиям для городов с населением более 100 тыс. человек принималась за 190 кг/м³, а по неблагоустроенным жилым домам за 300 кг/м³, т. е. усредненная плотность составляла 245 кг/м³.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что морфологический состав ТБО претерпел значительные изменения в следующих компонентах:

• увеличилась органическая часть отходов и пластмасс;

• уменьшились в части содержания в ТБО компоненты макулатуры (бумага, картон);

• усредненная плотность ТБО уменьшилась почти на 100 кг/ м³. Эта информация должна учитываться предприятиями, занимающимися сбором, вывозом и размещением отходов.

Заметные изменения состава ТБО наблюдаются (Таблица 12) в России после 1993 года [40–43]. Изменился состав пищевых отходов в крупных городах, что связано с изменением качества продуктов питания.

Таблица 12

Среднегодовые изменения состава отходов по массе

В последние годы на свалках увеличивается относительное содержание бумаги, полимерных материалов. С переходом на централизованное теплоснабжение в крупных городах резко сократилось (практически до нуля) содержание в ТБО угля и шлака.

Если до 1991 года основную массу пищевых отходов составляли картофель, капуста и их очистки (до 70 %), и только 10 % составляли отходы и очистки фруктов (причём только летом и осенью), то теперь, в связи со значительным улучшением условий их хранения, резко сократилось содержание картофельных очистков. При этом резко возросло содержание очистков фруктов, причём, в основном, экзотических – апельсинов, ананасов и бананов. Эта закономерность теперь наблюдается во все сезоны года.

Значительно выросло содержание в отходах цветных металлов за счёт появления алюминиевых банок из-под пива и воды, а также относительно лёгкого электронного мусора. После 1992 года резко возросло содержание пластмассовых упаковочных материалов, в том числе пластиковых бутылок из-под напитков. При уменьшении относительной массы полимерного мусора наблюдается заметное увеличение количества пластиковых изделий. Этот феномен объясняется резким ростом в контрольном объёме лёгких упаковочных материалов и увеличением количества малогабаритных изделий из полимеров. При этом общее соотношение содержания легкоразлагаемой органики (пищевых отходов) к общей массе ТБО практически не изменилось.

Фракционный состав ТБО (процентное содержание массы компонентов, проходящих через сита с ячейками различного размера) оказывает влияние как на технологию и организацию сбора и транспорта, так и на параметры оборудования мусороперерабатывающих заводов.

В таблице 13 приведён фракционный состав ТБО, дающий более полную информацию о свойствах компонентных материалов [41].

Таблица 13

Ориентировочный фракционный состав ТБО, % по массе

В таблицу не вошли данные о крупногабаритных отходах (старая мебель, холодильники, стиральные машины, обрезки деревьев, крупная упаковочная тара), т. е. о ТБО, не вмещающихся в стандартные (0,75 м³) контейнеры и собираемых отдельно.

Фракционный состав ТБО, как и морфологический, несколько меняется по сезонам года и отличается в разных климатических зонах.

Элементный химический состав отходов характеризует качество получаемого в процессе переработки ТБО органического удобрения или биотоплива. Оно зависит от химического состава исходных отходов (таблица 14) [41].

Таблица 14

Элементарный химический состав современных бытовых отходов

В таблице представлены усредненные данные по плотности, влажности и зольности (в пересчёте на сухое вещество) компонентов ТБО.

Всё более важным компонентом «мусорной корзины» нашего современника становятся, так называемые, квазимусорные экскреты (квазимусор) [2, 5, 38]. Это вещи, предметы быта и продукты, обладающие потребительскими качествами, от которых их хозяин из-за собственной прихоти или определённых предпочтений избавляется доступными способами.

Квазимусора становится всё больше и больше, и он при таких темпах вскоре может обогнать на свалках относительное количество обычного мусора. В литературных источниках [45] отмечается массовое появление отдельных групп или сообществ, одевающихся и кормящихся «со свалки». Как правило, это молодые нигде не работающие люди, паразитирующие на своих национальных обществах избыточного производства и потребления. Это не бомжи и не больные люди. Это фриганы [45]. Для обычного человека помойка – это скопление мусора, отбросов, куда выкидывают ненужный хлам и испорченные продукты. Место это кажется настолько неприятным и малопривлекательным, что мало кому придёт в голову брать с помойки какие-то вещи, а уж тем более искать там еду. У нас считается, что это удел совсем опустившихся людей: бомжей, алкоголиков, нищих изгоев. За рубежом – иначе…

Эта мода началась в Америке в конце XX века, где в последние годы всё больше молодых и успешных людей, которые имеют высокооплачиваемую работу и хорошее жильё, отправляются за продуктами для ужина не в ближайший супермаркет, а на помойку. Вот только делают это они не от бедности, а, так сказать, по идейным соображениям.

По подсчётам специалистов, от 27 до 50 % продуктов питания, которые поступают в продажу в США, так и не доходят до потребителя и попадают на помойку, а затем на свалку. Причём очень часто эти продукты не просрочены, а вполне пригодны в пищу. Например, если в большой партии помидоров, поступивших в контейнере, несколько плодов оказываются испорченными, то в помойку отправляются вся партия. Выкинуть контейнер для компании дешевле, чем нанять человека, который будет сортировать овощи. Наша страна «догоняет» западный мир в этом безумном соревновании.

Между тем, квазимусор трудно поддаётся учёту и контролю из-за специфики этого объекта, так как ещё много людей забирают этот продукт на всех этапах его пути от дворовой мусорки до свалки. В конечном счёте до исследователей доходят конечные массы и продукты, не имеющие представительной научной ценности.

Для более достоверного определения состава бытовых отходов исследования необходимо равномерно и равнозначно проводить не только во все времена года – зимой, весной, летом, осенью, но и на протяжении всего дня. Важно при проведении экскретологических исследовательских работ препятствовать до проведения испытательной процедуры доступу к контейнерам посторонних лиц.

Исследования составов отходов следует проводить не реже раза в 5 лет [42].

2. Твёрдые и условно твёрдые отходы

ТБО у большинства людей обычно ассоциируется с мусором – в первую очередь бытовым. Строго говоря, не весь мусор твёрдый. В нём есть и тряпка, и плёнка и ещё множество «мягких» предметов и веществ. Поэтому заметную часть как промышленных, так и бытовых отходов следует назвать условно твёрдыми, дав определение этому понятию, например, как это сделано в нашей книге [2].

Понятие твёрдого или условно твёрдого предмета, вещества или продукта означает, что рассматриваемые объекты не жидкие и не газообразные, а относятся к твёрдой фазе. Твёрдое тело характеризует агрегатное состояние вещества со стабильностью формы в виде кристаллических или аморфных объектов [22], а понятие твёрдости характеризует сопротивляемость вдавливанию или царапанию [23]. Строго говоря, любое тело при достаточном охлаждении становится твёрдым.

При нормальных условиях примерами твёрдых тел могут быть металлы, соединения металлов с неметаллами (металлиды), некоторые минералы. Примерами твёрдых аморфных тел служат стекло и изделия из него, янтарь, смолы, битумы и полимеры [22]. При исследованиях отходов (экскретологических работах) наряду с понятием твёрдого тела используется [2] понятие условно твёрдого тела как мерило содержания в нём влаги (в основном воды). На практике именно водность (влажность) выбросов является определяющей характеристикой при рассмотрении их классификации и динамики в природных средах.

Влажность β определяется как отношение массы воды, находящейся в данный момент в исследуемом материале, к массе (реже к объёму) материала в сухом состоянии и выражается в процентах. При этом массу материала берут в естественном влажном, а не в насыщенном водой состоянии.

При массовом содержании суммарно твёрдого вещества α и газов γ в выбросе, превосходящем 30 %, его следует причислить к твёрдым и условно твёрдым отходам (в России – ТБО).

Массовый баланс фаз в объёме отхода имеет вид:

α + β + γ = 1.

Если пренебречь газовой составляющей γ (на практике почти всегда присутствие газа в твёрдофазных и жидкостных выбросах носит «следовый» характер), то есть считать, что γ/α «1, то приходим к приближённой оценке „твёрдости“ мусорных отходов [2]:

β < 0,7 или α ≥ 0,3.

В эту категорию выбросов попадает большинство бытового, часть промышленного, горнорудного и прочего мусора. «Жидкими отходами» liquid waste признаются отходы, содержащие менее 1 % твёрдого вещества, то есть при

α ≤ 0,01 (β + γ > 0,9).

Существуют также «полужидкие отбросы»sludge, содержащие от 3 % до 25 % твёрдых материалов:

0,25 ≥ α ≥ 0,03.

Более подробно о выборе коэффициентов α, β и γ можно ознакомиться в [2, 5, 38].

Образование отходов

Отмечается [7], что рациональное и эффективное использование природных ресурсов является важным элементом устойчивого развития общества. Невостребованные отходы – это значительная потеря материальных и энергетических ресурсов. Переработка и удаление образовавшихся отходов может быть причиной загрязнения окружающей среды и воздействия вредных веществ инфекционных организмов на людей и объекты флоры и фауны.

Состав и массы бытовых отходов чрезвычайно разнообразны и зависят не только от страны и местности, но и от времени года и от многих других факторов. Массы бытовых отходов и их состав для некоторых стран приведены в Таблицах 15 и 16.

Таблица 15

Производство бытовых отходов в конце 20-го века в разных странах[26]

Таблица 16

Среднегодовой состав ТБО некоторых стран мира, %

Из таблицы видно, что бумага и картон составляют наиболее значительную часть ТБО (до 40 % в развитых странах). Вторая по величине категория – это так называемые органические, в том числе пищевые, отходы; затем металл, стекло и пластик составляют по 7–9% от общего количества отходов. Примерно по 4 % приходится на древесину, текстиль, резину и др.

На рисунке 1 приведены соответствующие данные по полимерам.

Что касается России, то количество муниципальных отходов в ней увеличивается, а их состав, особенно в крупных городах приближается к составу ТБО в западных странах с относительно большой долей бумажных отходов и пластика.

В целом около 30 % отходов по весу и 50 % по объёму составляют у нас различные упаковочные материалы, из них 13 % веса и 30 % объёма упаковочных материалов составляют полимерные ёмкости с напитками.

Рис. 1. Доля полимеров в бытовых отходах разных стран в конце прошлого века [46]

Выборочные исследования показали, что в настоящее время абсолютное большинство пластиковых отходов в развитых странах удваивается каждые десять лет. В прошлом в России выбрасывалось меньше отходов на душу населения, чем на Западе [47], однако в последнее время в связи с внедрением западной потребительской культуры и товаров в этой области происходят быстрые изменения. Одноразовые бесплатные пластиковые пакеты в супермаркетах, одноразовые шприцы, одноразовая посуда в кафе, одноразовые алюминиевые банки для пива и прохладительных напитков, всё это на Западе перерабатывается почти на 100 % (не говоря уже о простых полиэтиленовых пакетах), а у нас прямиком идёт на свалку или просто бросается под ноги. Необходимо соблюдение элементарных правил гигиены.

Показатель образования отходов тесно связан с уровнем экономической активности в стране и отражает сформировавшиеся в обществе структуры производства и потребления. Сокращение объёма и массы образования отходов служат показателями продвижения секторов экономики к менее материалоёмким структурам производства и потребления.

Процесс образования отходов в капиталистической стране носит ярко выраженный циклический характер, повторяясь каждые 8 – 12 лет. Например, в фазе подъёма (Рис. 2) в 2011 году масса образовавшихся отходов производства и потребления в Российской Федерации составила (по данным Росприроднадзора) 4,3 млрд. т. Это на 16,2 % больше массы отходов, образовавшихся в 2010 г. Столь значительное увеличение массы образовавшихся отходов по сравнению с предыдущими годами связано, по нашему мнению, с улучшением экономической ситуации в стране. В то же время разница между количеством произведённых отходов в 2007 и 2008 годах составила – 2 млрд.т., что указывает на начало производственной рецессии. На графике Рис. 2 приведена временная зависимость массы возникающих в России общих отходов, часть которых используется в качестве вторичного сырья, а остальные в виде мусорных и квазимусорных экскретов удаляются, выбрасываются в природные среды, уничтожаются или захораниваются. График этого рисунка имеет характерный вид ускоряющегося процесса, приостановленного в период с 2007 по 2009 годы каким-то внешним воздействием. За этот временной отрезок свалки и мусорные полигоны недополучили миллиарды тонн мусора.

Очевидно, что таким воздействием явилась кризисная экономическая ситуация, завершившаяся финансовым дефолтом России 2008–2010 годов. Этот кризис обрушил производство и потребление страны и, как следствие, заметно уменьшил количество произведённых (и привезённых извне) и выброшенных на свалки и полигоны в это время отходов. Характерной особенностью кривой графика Рис. 2 является нелинейный по времени t характер роста массы отходов М в период относительной финансовой устойчивости (после 2010 года).

Производство отходов по отраслям экономической деятельности в РФ в начале века приведено в следующей таблице.

Для анализа зависимости массы отходов производства и потребления М(t) на временном участке кривой в период Т = 2009–2014 годов запишем выражение искомой функции в виде полинома по времени t:

М(t) = М(t=t₀) + k₁ t + k₂ t₂ + k₃t₃, (1)

где t₀ – начальный момент отсчёта;

k – угловой коэффициент наклона кривой; k = ∆М/∆t;

∆М – приращение массы отходов М за временной интервал ∆t. [M] = млрд.т.; [∆t] = лет.

Коэффициенты k₁, k₂ и k₃ находятся при использовании официальных данных [8 – 13]. Получаем:

k₁ = – 0,13; k₂ = 0,35; k₃ = – 0,055.

Тогда расчётная оценочная формула для массы отходов производства и потребления в рассматриваемом временном интервале принимает следующий приближённый вид:

М(t) = М(t=t₀) – 0,13t + 0,35t₂ – 0,055t₃, (2)

Напомним, что временные интервалы ∆t отсчитываются после t0 = 2009 года (см. рис. 2); при этом значение массы отходов было зафиксировано

М(t=t₀) = М(2009) = 3,5 млрд. т.

Формула (2) тогда принимает следующий окончательный вид (далее ∆t для краткости обозначаем t):

М(t) = 3,5 – 0,13 t + 0,35 t₂ – 0,055 t₃. (3)

Выражение (3) позволяет с удовлетворительной точностью проводить быструю инженерную оценку масс отходов производства и потребления в РФ во временном диапазоне 2009–2013 годов.

Массы образовавшихся отходов, в том числе по видам деятельности и классам опасности в разные годы представлены [53] в следующей таблице (по данным Росприроднадзора).

Отмечается [18], что наибольшее количество образования отходов приходится на добычу полезных ископаемых – 88,7 %, в т. ч. на добычу топливно-энергетических полезных ископаемых – 58,7 %. На долю обрабатывающих производств приходится 6,5 % всех образующихся отходов, в т. ч. 4,3 % – на металлургическое производство и производство готовых металлических изделий. На долю сельского хозяйства, охоты, лесного хозяйства, рыболовства и рыбоводства приходится менее 1 % образующихся отходов