Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Комплексное устойчивое управление отходами. Жилищно-коммунальное хозяйство: учебное пособие

Уланова О. В., Салхофер С. П., Вюнш К. ,

4.2.3.3. ОЖЦ в управлении отходами: анализ кейсов

Экологические воздействия от сжигания, децентрализованного компостирования и централизованного анаэробного брожения твердых органических бытовых отходов сопоставлялись в исследовании, проведенном авторами Bernstad and Jansen (2011) с использованием инструмента ОЖЦ EASEWASTE [26]. Сравнение основано на подробном анализе кейса: ОЖЦ, проведенная в жилом районе в Швеции с 1631 многоквартирными домами. Раздельно собранные органические отходы использовались в децентрализованном компостировании с 2000 г. С 2008 г. органические отходы (только пищевые) использовались для производства биогаза в централизованных анаэробных ферментаторах. Раздельный сбор и переработка пищевых органических отходов с использованием разных технологий все чаще встречается в шведских муниципалитетах, и ОЖЦ может помочь исследовать, какой вид переработки является предпочтительным с экологической точки зрения.

Описание сценариев

Четыре сценария оценивались в отношении экологических воздействий системы управления органическими бытовыми отходами:

A. Пищевые и другие органические отходы не разделяются и сжигаются вместе с остатками на мусоросжигательном заводе с производством энергии. Произведенная энергия используется для замещения электричества и тепла.

B. Пищевые и другие органические отходы сортируются потребителями и перерабатываются в децентрализованных компостных реакторах в жилом районе. Произведенный компост используется для замещения производства садовой земли (торфа и коммерческих удобрений).

C1. Пищевые отходы сортируются в бумажных пакетах потребителями. Произведенный биогаз очищается и используется как топливо для замещения бензина в легких автомобилях. Дигестат используется на сельхозугодиях для замещения коммерческих удобрений. Для оценки фильтрации азота в форме нитратов в грунтовые воды и стока в поверхностные воды разработаны два сценария – для песчаной и суглинистой почвы (C1a, C1b).

C2. Аналогичен C1, но произведенный биогаз не очищается; он используется для производства электричества и теплоэнергии.

Границы системы и представление данных. Границы системы включают: сбор и транспортировку, производство пластиковых/бумажных пакетов для раздельного сбора, входящие потоки (например, энергия) и выбросы от предварительной переработки (механическая обработки перед транспортировкой на завод по производству биогаза), производство и очистка биогаза, процессы компостирования и сжигания, выбросы от разбрасывания и использования компоста и дигестата на землях, обработка и складирование остатков от сжигания. Экологическая оценка состоит из:

a) замещения энергии ископаемого топлива (бензин, электричество и теплоэнергия) путем потребления энергии биогаза;

б) замещения минеральных удобрений и торфа путем производства компоста и дигестата. Производство и удаление биогаза, оборудование для компостирования и сжигания и мусорные баки не учитываются. При оценке воздействий компостирования не учитывается связывание углерода в почве.

Для оценки были выбраны пять категорий экологически значимых воздействий: потенциал глобального потепления (GWP), закисление (A), перенасыщение питательными веществами (NE), стратосферное истощение озонового слоя (ODP) и фотохимическое образование озона (POF). Результаты представлены в человеческом эквиваленте (PE) с использованием эталона нормализации EU-15 (т.е. экологические воздействия от граждан стран EU) в 2003 г., кроме GWP и ODP, где использовалось глобальное среднее экологическое воздействие. Представление результатов в человеческом эквиваленте (рис. 4.5) означает, что выбросы соединений, оказывающих воздействие в категориях, где выбросы общества уже высоки (например, GWP), имеют относительно меньшую важность по сравнению с категориями, где воздействие в расчете на человека в настоящий момент невелико (например, перенасыщение питательными веществами и закисление).

Количество и состав органических отходов. Количество органических отходов основано на предыдущих записях о разделении отходов для компостирования, поэтому используется функциональная единица 24,9 кг органических отходов на человека–1 в год–1. Состав и доля сортированных органических отходов основаны на предыдущих мероприятиях по мониторингу в этой местности. Другие параметры отходов (теплоемкость, производство метана, содержание питательных веществ) взяты из литературы.

Системы сбора и транспортировки

A. Пищевые отходы выбрасываются вместе с остатками в пластиковых пакетах, собираются и перевозятся на мусоросжигательный завод.

B. Пищевые отходы разделяются в пластиковых контейнерах (без пакетов). Содержимое контейнера перевозится на склад и упаковывается в пакеты.

C. Пищевые отходы разделяются в бумажных пакетах.

Данные по экологическому воздействию от производства бумаги и пластиковых пакетов собраны у производителей или в доступных базах данных (EDIP/UIMP). Потребление автомобильного топлива при сборе отходов и расстояния транспортировки специфичны для муниципалитета. Данные о выбросах от транспортировочных машин взяты из открытых источников.

Сжигание органических отходов. Выбросы от сжигания пищевых отходов состоят из зольного остатка, золы уноса, шлама и выбросов в воздух. Зола уноса транспортируется для дальнейшей переработки, шлам и зольный остаток складируются на полигоне. Производство энергии на заводе велико в связи с извлечением тепла из отходящих газов (108 %, если добавить производство электрической и тепловой энергии, 20,3 % электричества и 87,7 % теплоэнергии). Выбросы в воздух от сжигания отходов различаются в зависимости от состава сжигаемых отходов. Но предполагается, что некоторые выбросы в воздух (например, диоксины, CO, частицы, SO2, NOx, HCl и HF) зависят от процесса и основаны на технологии на конкретном мусоросжигательном заводе. В исследовании использовались данные по выбросам этих соединений в конкретной местности.

Используемое и замещенное электричество и отопление. Использовались среднестатистические данные по производству энергии, т.е. электричество и тепло, произведенное мусоросжигательным заводом, использовалось для замещения среднестатистического шведского
производства электричества и среднестатистического отопления в данной местности. Влияние этих данных было оценено в анализе чувствительности, где использовались два различных маргинальных метода производства энергии – в первом случае использовалось топливо, обладающее не очень большим потенциалом, а в другом с высоким содержанием ископаемого топлива. Они выбирались на основе текущих тенденций статистического распределения между разными источниками энергии Швеции. Сравнивалось количество электричества, произведенного угольной электростанцией и ветряной электростанцией. Сравнивались следующие технологии: маргинальная технология производства тепла на ТЭЦ на основе деревянной щепы (низкий потенциал) и альтернативный метод, основанный на теплоэнергии угля (высокий потенциал). Выбросы, связанные с производством электричества и тепла (NO3, эквивалент SO2, эквивалент C2H4, CO2/кгМВч–1) взяты из баз данных и других источников.

Компостирование органических отходов. Некоторые данные, используемые для моделирования компостирования (содержание P, N, K, соотношение C/N, образование фильтрата и использование деревянной щепы) зависят от местности. Кроме того в процессе использовались данные предыдущих мероприятий по мониторингу. Для компостирования биофильтры не использовались, а выбросы в воздух в процессе компостирования (NH3, N2O, N2 и CH4), зависящие от места, не измерялись. Данные по атмосферным выбросам, разложению органических веществ и использованию энергии оценивались по предыдущим исследованиям компостирования органических отходов. Фильтрат, произведенный в компостных реакторах, подлежит рециркуляции. Деревянная щепа использовалась в качестве структурного материала для стабилизации аэробного процесса, данные по экологическому воздействию от ее производства были взяты в базе данных UIMP.

Анаэробное брожение пищевых отходов. Пищевые отходы предварительно перерабатывались бумагорезательной машиной, чтобы открыть бумажные пакеты, и прессовались винтовым прессом. Информация о заводе по предварительной переработке (например, % остатков, потребление электричества и воды, содержание сухого вещества) основана на данных производителя. Органический субстрат смешивался с водой и транспортировался в цистерне 92 км на завод по производству биогаза, где подвергался брожению совместно с другими отходами (навоз и остатки пищевых производств). Данные по содержанию метана, потреблению энергии, нежелательным потерям метана и т.д. собраны на реальном заводе по производству биогаза. Данные, не являющиеся специфичными для местности, использовались только в случае деградации органического вещества.

Варианты использования продукции переработки отходов

Компост используется в приготовлении среды для выращивания замены торфяных, N, P и K удобрений. Количество замещенных коммерческих удобрений (P, K и N) основано на данных для конкретного района о содержании макроэлементов в компосте. Замещение торфа рассчитывается по массе. Доступность макроэлементов в компосте по сравнению с химическими удобрениями может сильно различаться. На основе литературных данных использовались величины 30, 100 и 100 % для N, P и K, соответственно. Влияние этих предположений было оценено в анализе чувствительности. Для того, чтобы результаты сценария анаэробного брожения можно было сравнить со сценарием компостирования, к сценарию были добавлены выбросы N2O и нитратов в объеме, в котором они предположительно соответствовали использованию дигестата на сельхозугодиях.

Использование биогаза и остатков от предварительной обработки. Тепло, произведенное при сжигании остатков от предварительной обработки пищевых отходов, предполагалось в качестве заменителя среднего регионального районного отопления (100 %).

C1. Произведенный биогаз предполагается использовать для производства топлива для транспорта (30 %) и тепла (70 % с КПД 85 %). Произведенное тепло используется для внутренних нужд завода и для отопления района.

C2. Произведенный биогаз предполагается использовать для совместного производства электричества и тепла (КПД 85 %).

Использование дигестата. Использовались средние отчетные данные по использованию энергии для разбрасывания дигестата на сельхозугодиях. Доступность макроэлементов в дигестате по сравнению с использованием химических удобрений была установлена на 70/100/100 % для N, P и K, соответственно. Пути выбросов азота оценивались на основе литературных данных: потери азота в виде газообразных продуктов от использования дигестата как источника аммиака были предположительно на уровне 5 %; образование сильного парникового газа N2O также было взято из рекомендаций IPCC; для оценки фильтрации азота (в виде нитратов) в грунтовые воды и сток в поверхностные воды были разработаны два сценария – для песчаной и суглинистой почвы (C1a, C1b). Оценка экологического воздействия от производства химических удобрений была основана на литературных данных для удобрений, используемых в Швеции.

Анализ чувствительности

Анализ чувствительности проводится с целью:

● Оценить влияние допущений относительно доли замещения и типа замещаемых товаров (энергии и удобрений).

● Оценить, в какой степени вариации в литературных данных относительно некоторых конкретных входных параметров влияют на результат.

● Оценить воздействие развития технологии, как в системе переработки, так и в производстве замещаемых продуктов.

Впоследствии проводится модификация сценариев с изменением следующих параметров:

● тип энергии, используемой и заменяемой во всех сценариях (уголь против энергии ветра, ископаемое топливо против тепловой энергии биотоплива);

● потери N, коэффициент разделения между соединениями N и влиянием установки биофильтров в сценарии компостирования B; выбросы N2O от компостной почвы или брожения на сельхозугодия, а также использование N в сценариях компостирования и брожения B и C;

● заменяемые удобрения, которые предполагается производить в соответствии с лучшими доступными технологиями (с целью снижения выбросов N2O); сокращение утечки метана в производстве и очистке биогаза сценарии C; оптимизация методики применения продуктов брожения (с целью снижения выбросов аммония).

Результаты

Наибольшее снижение совокупного экологического воздействия наблюдается в сценарии C1a (анаэробное брожение с использованием биогаза в качестве автомобильного топлива и использование брожения песчаных почв). Вклад в глобальное потепление является наибольшим в сценарии A (сжигание) и наименьшим в сценарии C1, после которого идет C2 (анаэробная переработка). Вклад в закисление и перенасыщение питательными веществами является самым высоким в сценарии B (компостирование), в основном в результате выбросов аммиака в воздух во время компостирования. Высокий сток нитратов из глинистых почв ведет к большому вкладу в перенасыщение питательными веществами в сценарии C1b. Вклад в POF в целом является низким. Выбросы метана являются одним из основных вкладов в POF, и самый высокий вклад наблюдается в сценарии B в связи с выбросами метана в процессе компостирования. Нежелательное высвобождение метана при биологической переработке в сценарии С компенсируется замещением производства и использованием биогаза в качестве автомобильного топлива и соответствующим предотвращением POF. Воздействие, связанное с ODP, незначительно во всех сравниваемых сценариях. Результаты оценки экологических воздействий сведены воедино в табл. 4.7 и на рис. 4.6.

Таблица 4.7

Экологическое воздействие при сценариях A, B, C1a, C1b и C2. Выбросы, вносящие вклад в GWP, POF, перенасыщение питательными веществами, закисление и ODP представлены как эквиваленты, связанные с каждой категорией воздействий [25]

Рис. 4.6. Экологическое воздействие при сценариях A, B, C1a, C1b и C2 представлено в человеческом эквиваленте,
связанном с оцениваемой категорией экологических воздействий [25]

Экологические воздействия в различных процессах цепи управления отходами представлены на рис. 4.7. Сжигание органических отходов в сценарии A предполагает нулевой вклад в выбросы парниковых газов. Но для выброса несортированных пищевых отходов требуется слишком большое количество пластиковых пакетов; кроме того, входящие материалы, используемые в процессе сжигания (тепло и электричество) отягощают сценарий A, при этом производство энергии из влажных пищевых отходов не может полностью компенсировать их. Так как предполагается, что производимая энергия лишь в небольшой степени замещает средний уровень электричества и тепла для Швеции, производимый на базе ископаемого топлива, предотвращение GWP путем замещение энергии в сценарии A является низким.

Рис. 4.7. Экологическое воздействие при сценариях A, B, C1a, C1b и C2, разделенное на различные процессы в цепи управления отходами
как суммированная годовая оценка в человеческом эквиваленте GWP, POF, перенасыщения питательными веществами, закисления и ODP [25]

Высокий вклад в перенасыщение питательными веществами и закисление при компостировании в основном связан с выбросами NH3 в процессе аэробного разложения. Выбросы CH4, N2O и CO2 также имеют место, но их уравновешивает замещение торфа и удобрений, что приводит к общему предотвращению GWP в сценарии B. Экологическое воздействие, связанное с энергией, требуемой для компостных реакторов, транспортировкой и используемыми конструкционными материалами не слишком важны для общего экологического воздействия.

Сжигание отходов от предварительной переработки сортированных пищевых отходов и нежелательные выбросы метана при брожении и очистке биогаза вносят наибольший вклад в GWP в сценариях C1 и C2. Выбросы от транспорта производят малую часть общего экологического воздействия от анаэробной переработки. Выбросы аммиака при брожении на сельхозугодиях вносят наибольший вклад в закисление в сценариях C1 и C2. Использование брожения также дает наибольший вклад в перенасыщение питательными веществами при анаэробной переработке. Однако структура почвы может влиять на эти процессы в большой степени, так как сток нитратов в поверхностные воды сильно повышается с увеличением содержания глины в почве.

В целом, использование брожения и компоста от биологической переработки важно для общего экологического профиля этих вариантов. Замещение химических удобрений дигестатом может быть почти таким же важным, как предотвращение негативного экологического воздействия от анаэробной переработки в качестве замены ископаемого топлива и теплоэнергии, произведенным биогазом.

Резюме и обсуждение

Результаты показывают, что анаэробное сбраживание с использованием биогаза и брожения в качестве замены топлива для транспортных средств и химических удобрений, соответственно, ведет к более значительному предотвращению глобального потепления и фотохимического формирования озона по сравнению с компостированием или сжиганием пищевых отходов. Биологические методы переработки – как анаэробные, так и аэробные, дают предотвращение выбросов GHG, но не вносят большего вклада ни в перенасыщение питательными веществами, ни в закисление по сравнению со сжиганием. Результаты в большей степени зависят от замещения энергии и выбросов при биологических процессах. Если предположить, что производимый биогаз заменяет электричество, производимое с использованием угля, тогда это предпочтительнее по сравнению с использованием биогаза в качестве топлива для автомобилей. Использование биогаза как замены угольной энергии также оказалось более предпочтительным по сравнению со сжиганием органических бытовых отходов. Это связано в основном с использованием пластиковых пакетов при сжигании (по сравнению с бумажными пакетами в анаэробных процессах) и с использованием биоудобрений (брожения) при анаэробной переработке в качестве заменителя химических удобрений при сжигании.

Конечный GWP от всего процесса различен: от вредного воздействия, эквивалентного 2,6 кг CO2 на каждое хозяйство за год использования сжигания, до предотвращения выбросов, эквивалентного 5,6 кг CO2 на каждое хозяйство за год использования анаэробного брожения и применения произведенного биогаза в качестве автомобильного топлива. Воздействия часто зависят от процессов, расположенных далеко от организации, принимающей решение, поэтому важен целостный подход и активное сотрудничество между лицами, имеющими отношение к цепи управления отходами.

Исследование является примером того, как оценка жизненного цикла может использоваться в качестве инструмента поддержки принятия решений для органов управления, влияющих на обращение с отходами, определяющих, какую стратегию использовать для выполнения национальных задач; данный метод может использоваться для сравнения экологических воздействий различных методов переработки органических отходов. ОЖЦ также может использоваться для определения «горячих точек» с высоким экологическим воздействием в цепи переработки, а это важнейший шаг к оптимизации цепи.

Как бы то ни было, исследование также показывает, что результаты такой оценки могут быть сложными, и они – выбор между альтернативами с лучшими экологическими показателями в некоторых аспектах и худшими в других, а также относительные истины, так как результаты и заключения, основанные на оценке, всегда зависят от изначально сделанных допущений. Экологический профиль энергии и материалов, замещенных продуктами, произведенными в цепи обращения с отходами, и допущения, связанные с выбросами, оказывают сильное воздействие на результаты и потенциально могут изменить иерархию сравниваемых альтернатив [27–35].