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. ,

4.2.2.1. Определение цели и области применения

Определение цели включает в себя определение конечной задачи исследования и процесс принятия решений в отношении охраны окружающей среды, для которых требуется поддержка. ОЖЦ обычно используется для сравнения, а не для формирования абсолютных утверждений. Таким образом, определение цели часто предлагает сравнительную оценку двух или более альтернативных систем.

В контексте управления отходами цель ОЖЦ может состоять в том, чтобы менеджеру по бытовым отходам сравнить различные виды обработки пластиковых отходов с тем, чтобы муниципальные власти определили, какой способ имеет самое низкое обще воздействие на окружающую среду и ресурсную базу. Фаза интерпретации ОЖЦ может также использоваться для определения того, что является причиной экологического воздействия технологии и использовать эту информацию для улучшения технологии.

В любом ОЖЦ географический контекст и его важность (например, доступная инфраструктура, состав отходов, осведомленность населения, имеющееся законодательство по обработке отходов, доступные технологии обращения с отходами и т.д.) имеют критическое значение и должны рассматриваться при интерпретации результатов исследования. Результаты обычно не могут быть применены непосредственно в другом контексте, и при экстраполяции за пределы изучаемого контекста необходимо проявлять осторожность. Определение цели исследования должно также отражать спектр решений, которые могут быть сделаны на основе данного исследования в его области применения.

Цель исследования также может предписывать один из двух возможных подходов к моделированию: прямой подход (включающий мониторинг и учет с целью составления картины воздействий исследуемой системы в том виде, как она есть) или косвенный подход (анализ последствий изменений в системе с целью поддержки решений в отношении того, менять систему или нет). Например, путем моделирования использования биотоплива при помощи косвенного подхода оцениваются последствия на рынке сельскохозяйственных культур или в сфере использования земли, а в рамках прямого подхода система оценивается, как она есть. Выбор подхода к моделированию повлияет на следующий шаг – сбор информации для инвентаризации процесса.

При определении области применения ОЖЦ должны рассматриваться следующие вопросы [5]:

– Объект исследования (функциональная единица).

– Границы системы.

– Применяемые критерии оценки.

– Временные рамки исследования.

– Технологии, представляющие различные процессы.

– Выделение процессов с более чем одним входом или выходом (многофункциональных процессов).

Объект исследования, или функциональная единица

На первой стадии объект ОЖЦ определяется путем назначения функциональной единицы (например, 1 м2 солнечной батареи или 1 кг железа). Для чистоты результатов очень важно, чтобы исследуемые системы выполняли одинаковые функции для пользователя, поэтому функциональная единица часто относится к услугам, предоставляемым пользователю. В исследовании упаковки, сравнивающем тетрапак-упаковку и многоразовые стеклянные бутылки для молока, функциональная единица может быть определена как «упаковка для 1000 литров молока». Такое определение позволяет установить количество разных оцениваемых упаковочных материалов, например, 1000 однолитровых картонных коробок против 40 однолитровых стеклянных бутылок при условии, что бутылки можно повторно использовать 24 раза. В этом случае действия, необходимые для повторного использования бутылок 24 раза, включая сбор и мытье пустых бутылок, являются частью системы.

Для ОЖЦ системы управления отходами функциональная единица исследования может включать информацию о [5]:

– Количество отходов, подлежащих управлению.

– Состав отходов.

– Время, затрачиваемое на обращение с отходами.

– Качество управления отходами (нормы выбросов, требования к остаточным продуктам).

Типичный пример функциональной единицы в системе управления отходами – это переработка 1 т твердых бытовых отходов разными способами (переработка, сжигание, складирование на полигонах).

Функциональная единица используется как основа для последующего сбора данных о входящих и выходящих потоках при инвентаризационном анализе. Все входящие и выходящие материалы каждого процесса связаны с выбранной функциональной единицей.

Границы системы

Границы системы устанавливаются для того, чтобы охватить все значимые этапы жизненного цикла, процессы и потоки. Например, должно учитываться получение сырья, основные стадии производства и переработки, транспортировка, производство и использование топлива, электричества и тепла, фаза использования продукта, удаление отходов, их переработка, а также изготовление, поддержка и списание основного оборудования. Дополнительные операции, такие как освещение и обогрев в промышленных зданиях, также могут быть включены в анализ.

Управлением отходами часто пренебрегают или его сильно упрощают при анализе воздействий, оказываемых продуктом в течение его жизненного цикла. ОЖЦ продукта обычно сосредоточена на стадиях производства и использования, а отходы часто рассматриваются как выходящий поток рассматриваемой системы, и его воздействия уже не рассчитываются. Однако, для ОЖЦ в сфере управления отходами, продукты, чей срок службы окончен, являются основным объектом исследования. Как показано на рис. 4.2, из-за этого границы системы при ОЖЦ продукта и ОЖЦ отходов будут разными.

Рис. 4.2. Границы LCI продукта (вертикальный анализ)
и LCI твердых отходов (горизонтальный анализ) на основе Whiteetal (1995) [5]

Определение границ системы в отношении систем управления отходами означает определение жизненного цикла отходов, которые входят в систему, и все процессы и действия по управлению отходами, которые включены в исследование. С этим связана дилемма ОЖЦ: бесконечность системы продукта. Например, если система управления отходами зависит от электричества, производимого угольной электростанцией, выбросы и добыча ресурсов, связанная с выработкой необходимого электричества, должна включаться в систему управления отходами. В дополнение к прямым выбросам электростанции, пропорциональная часть экологического воздействия от строительства электростанции (например, от производства стали, необходимой для строительства электростанции, и от строительства металлургического завода, который производит эту сталь, и так далее) должны быть поставлены в связь с продуктом. Аналогичным образом, если система управления отходами вырабатывает электричество, те же соображения применяются с отрицательным знаком. Если учитывать все фоновые процессы, система управления отходами быстро разрастается и начинает охватывать все виды человеческой деятельности, и провести инвентаризацию для такой сложной системы становится невозможно. Чтобы решить эту проблему, в анализ необходимо включать только наиболее важные процессы; чтобы решить, какие процессы важны, необходимо провести анализ чувствительности, который определит, какие стадии наиболее значимы в отношении экологических воздействий. Критерий отброса устанавливается, когда потоки на определенном уровне исключаются из модели. Например, если критерий составляет 90 % всего экологического воздействия, то анализируемые потоки создают по крайней мере 90 % экологического воздействия [12].

Процессы и действия в системе управления отходами обычно включают все виды деятельности, необходимые для сбора и обращения с отходами и перерабатываемыми материалами, включая собственно сбор, обработку, переработку и вывоз. Технические единицы могут включать транспортные средства для сбора, оборудование для восстановления материалов (material recovery facility, MRF), компостный и мусоросжигательные заводы, полигон для отходов от сжигания, а также фабрику по производству новых продуктов из материалов отходов.

Для сравнения систем управления отходами могут быть важны следующие аспекты на различных этапах жизненного цикла:

– Добыча сырья: Некоторые процессы переработки отходов генерируют электричество, теплоэнергию или вторичные материалы, которые могут заменить природные ресурсы, такие как топливо, древесина, железо, сталь, алюминий и гравий. Например, производство энергии при переработке мусора предотвращает генерацию энергии на традиционных электростанциях и соответствующие выбросы.

– Производство: Стадия производства в системе управления отходами включает в себя все процессы, связанные с превращением ресурсов и материалов в оборудование для управления отходами. Обычно стадия производства вносит незначительный вклад в общее воздействие от жизненного цикла системы, так как все воздействия, производимые на этой стадии, также производятся на стадии эксплуатации в более крупных системах.

– Распространение: В ОЖЦ продуктов распространение часто рассматривается не сам по себе, как отдельный этап жизненного цикла, а скорее как часть каждого из этапов жизненного цикла. Как бы то ни было, для систем управления отходами транспортировка как часть сбора отходов является наиболее значимым видом деятельности, который обычно рассматривается отдельно. Желательно указать долю сбора в общей системе и рассмотреть возможности оптимизации на этой стадии.

– Использование: Этап использования включает эксплуатацию всех частей системы управления отходами, по возможности для периода времени, указанного в функциональной единице. Этап использования включает использование электричества, топлива, воды и необходимых химических средств, а также генерацию тепловой и электрической энергии и выпуск материалов, используемых за пределами системы обращения с отходами. Этап использования также включает обслуживание оборудования и технических объектов для управления отходами.

– Управление отходами: Оборудование и технические объекты, используемые в системе управления отходами, в конце изучаемого периода теоретически должны быть разобраны или списаны, а их компоненты и материалы отосланы для соответствующей переработки или утилизации. В исследовании необходимо учитывать эту часть жизненного цикла и пропорциональную часть экологического воздействия в расчете на функциональную единицу, если утилизация потенциально может внести значительный вклад в исследование. На стадии вывоза некоторые материалы, используемые в строительстве завода (в основном металлы), могут быть восстановлены, поэтому потребление металлов часто является незначительным для процесса обращения с отходами. Таким образом, если ресурсы для строительства объектов включаются в анализ, также необходимо учитывать и стадию утилизации.

Критерии оценки

Критерии оценки, применяемые на стадии оценки воздействия при проведении ОЖЦ, необходимо установить перед тем, как начинать инвентаризационный анализ, чтобы организовать сбор действительно необходимых данных. Обзор категорий глобальных, региональных и местных экологических воздействий, которые могут быть включены в анализ в качестве параметров оценки при проведении ОЖЦ, представлен в табл. 4.2 (согласно Society of Environmental Toxicologyand Chemistry (SETAC), [13-14]. Кроме того, исследование обычно включает потребление ресурсов (невозобновляемых и возобновляемых, добыча которых превышает восстановление).

Кроме того, некоторые методы, в частности, широко используемые в Скандинавских странах, также включают воздействия в рабочей среде на операторов процессов (например, подверженность определенным видам опасных химикатов, шумов, монотонная работа и аварии [15].

Следующие категории воздействий наиболее значимы для сектора управления отходами: глобальное потепление, истощение озонового слоя, фотохимическое истощение озонового слоя, закисление, почвенная и водная эвтрофикация, отравляющее воздействие на людей, экотоксичность и землепользование. Они кратко представлены ниже [5].

Таблица 4.2

Категории экологических воздействий

Глобальное потепление. Глобальное потепление или «климатические изменения» включают изменения климата по причине скапливания парниковых газов в атмосфере, т.е. долгоживущие газы, которые поглощают инфракрасное излучение Земли. Возникающее из-за этого нагревание атмосферы распространяется на континенты и океаны и ведет к нагреванию Земли, повышению уровня океана и изменениям климата на региональном и глобальном уровне. Главный парниковый газ – это CO2, образующийся при сжигании ископаемого топлива. CO2 также образуется при биологическом разложении отходов в аэробных (компостирование) и анаэробных (полигоны, анаэробное сбраживание) условиях, но эти материалы в любом случае разлагаются естественным образом и выпускают углерод в виде CO2, и поэтому они не вносят вклад в содержание CO2 в атмосфере. Поэтому отдельно рассматривается CO2 от ископаемых источников (CO2 от сжигания ископаемого топлива; пластик, уголь, нефть, природный газ) и от биогенных источников (CO2 от биомассы; продукты лесопереработки, пищевые и дворовые отходы). Метан, производимый при анаэробном сбраживании биологических материалов гораздо худший парниковый газ, чем CO2 (примерно в 34 раз хуже по массе, согласно IPCC (2013)). При горении метан из отходов превращается в биогенный CO2.

Истощение озонового слоя. Истощение озонового слоя включает усиленную деградацию озона в стратосфере вследствие антропогенных выбросов неразлагаемых газов, содержащих хлор и бром, которые мигрируют в стратосферу. Озон в стратосфере поглощает ультрафиолетовое излучение солнца, защищая живые организмы на поверхности земли от его вредного воздействия. Наиболее важные антропогенные газы, способствующие истощению озонового слоя – это хлорфторуглероды (CFC, например, CFC11 или CFCl3), гидрохлорфторуглероды (HCFC, например, HCFC2 или CHClF2) и бромсодержащие хладоны (например, Halon 1301 или CBrF3). В настоящее время CFC и HCFC запрещены, и их основным источником являются выброшенные холодильники, которые используют их в системе охлаждения и изоляции; эти газы могут стать источником выбросов во время переработки в качестве отходов.

Фотохимическое образование озона. Образование озона в нижних слоях тропосферы происходит путем комплексного фотохимического окисления летучих органических соединений (volatile organic compounds, VOC) и монооксида углерода при участии оксидов азота (NOx) в присутствии солнечного света. В определенных метеорологических и топографических условиях такое формирование может привести к его экстремальным концентрациям – такое явление называется «фотосмог», и оно возникает в крупных городах. Озон и другие реакционоспособные фотооксиданты, образующиеся в реакциях, наносят вред растениям, повреждают дыхательные пути людей и воздействуют на вещества путем реакций с органическими материалами. Существенный вклад в фотохимическое разрушение озонового слоя NOx дают такие процессы переработки отходов как сжигание и эмиссия загрязняющих веществ от полигонов захоронения отходов, а также от сбора и транспортировки отходов.

Закисление. Выбросы оксидов азота (NOx), аммиака и оксидов серы (SOx) вызывают закисление почв и озер, когда эти вещества выбрасываются в местах с низкой буферной емкостью, это приводит к уничтожению лесов и образованию мертвых озер. Главные источники NOx и SOx в системах переработки отходов – это транспортные процессы и другие процессы, в которых используется дизельное топливо.

Перенасыщение питательными веществами, эвтрофикация. Азот и фосфор являются макроэлементами для высших растений и водорослей, поэтому выброс соединений этих двух элементов может создать питательную среду для природных экосистем, повышая их продуктивность, но также и изменяя видовой состав озер и прибрежных вод, вызывая цветение воды и последующее кислородное истощение придонных слоев водоемов. Основные источники выбросов фосфора – это установки для очистки муниципальных сточных вод и сельское хозяйство. В системах управления твердыми отходами нет серьезных источников фосфора. Главные источники выбросов азота в системах управления отходами – это процессы сжигания и транспортировки, выбрасывающие NOx.

Экотоксичность. Токсичное воздействие на экосистемы, наносящее вред отдельным видам и меняющее структуру или функции экосистем, варьируются от смертельного ущерба для репродуктивных особей
до изменений в поведении. Экотоксичность включает много различных механизмов токсичности и по сравнению с другими экологическими воздействиями в рамках ОЖЦ экотоксичность является комплексной категорией, которая касается всех веществ, оказывающих прямое действие на здоровье экосистем. Наиболее важный вклад в экотоксичность в системах управления отходами исходит от токсичных металлов и неразлагаемых органических загрязнителей.

Отравляющее воздействие на людей. Токсичное воздействие на людей происходит при вдыхании вместе с воздухом, при приеме пищи и воды, а также при проникновении через кожу при контакте с загрязняющей поверхностью. Существуют тысячи веществ, которые являются потенциально опасными в плане отравляющего воздействия на людей, но наиболее важными в системе управления отходов являются следующие факторы:

1) частицы от сжигания и транспортировки отходов;

2) токсичные металлы и устойчивые органические загрязнители, такие как диоксины и фураны.

Землепользование. Физическое воздействие на почву часто наносит более серьезный вред экосистеме, чем выбросы, о которых шла речь выше. В ОЖЦ физическое разрушение ареалов обычно рассматривается в категории «землепользование», которая вычисляется как произведение поврежденной площади, длительности воздействия и качественных изменений, вызванных воздействием. Качественные изменения – это та область, относительно которой пока нет единого мнения, так как нет согласия по поводу определений в отношении биоразнообразия, будущего использования поврежденной земли и т.д.

Временные рамки

Определение сферы применения также должно рассматривать временные рамки исследования, в частности, требования к достоверности результатов в будущем. Это может иметь глубокое значение для выбора технологий процессов в системе и для сбора данных в течение инвентаризации. Если исследование проводится для поддержки решения по выбору технологии управления отходами, заключение должно быть актуальным в течение минимум десяти лет в зависимости от типа выбранной технологии.

Одна из проблем в отношении временных рамок состоит в том, что выбросы полигонов и остатков, используемых при строительстве, сохраняются долгое время после истечения срока, указанного в ОЖЦ.

Технологическая сфера применения

Формулирование технологической сферы применения включает определение технологии, которая является значимой для всех процессов в системе управления отходами; это может быть стандартная технология, специфическая технология, лучшая доступная технология или будущая технология. Специфические и географически обусловленные системы управления отходами включают относительно мало видов оборудования и технических объектов, так что технологическую сферу их применения определить легко. Главная проблема сводится к определению технологий, работающих за пределами системы управления отходами, например, переработка бумаги, стекла, пластика, алюминия и т.п. Оценка системы управления отходами зависит от качества заводов и технологий для переработки отходов, а они становятся не нужны, если не используются природные ресурсы. Полезными могут оказаться форсайт-технологии для производства указанных материалов. На национальном и федеральном уровне, где управление отходами включает множество различных объектов, также рассматриваются стандартные технологии и лучшие доступные технологии с целью планирования дальнейшего развития.

Распределение

В управлении отходами для некоторых форм утилизации материалов применяется большое количество процессов, и в таких случаях имеется множество выходящих потоков. Помимо обращения с отходами и превращения их в остатки, лучше подходящие для складирования, процесс переработки отходов может производить материальные или энергетические потоки, такие как стекло, бумага, пластик, металлы, электричество, теплоэнергия или энергоносители, например, метан. Экологическое воздействие процесса управления отходами состоит из воздействий различных служб, составляющих единую систему. Таким образом, возникает вопрос распределения экологических выгод. Например, если мусоросжигательный завод производит два продукта (электричество и тепло для промышленных целей), как выбросы от завода распространяются на оба продукта.

Найти общее решение оказалось нелегко, однако ISO 14044 предусматривает несколько альтернативных вариантов.

Первый вариант – вместо распределения расширить саму систему и включить в нее дополнительные подсистемы. Если сравниваются различные технологии обращения с отходами и из них только одна производит, например, электричество, альтернативные отходы системы должны быть расширены и в них должно быть включено производство примерно такого же количества электричества в соответствии со стандартной
технологией. Другой вариант – при сравнении двух технологий обращения с отходами, в той, что производит электричество, из общего воздействия вычитается тот ущерб, который обычно приносит производство электричества. Такой подход называется «замещение» или «вычет предотвращенного экологического обмена или воздействия». Это означает, что входящие и выходящие потоки обычного производства электричества включены в инвентаризацию технологии обращения с отходами, но с отрицательным знаком. Данный принцип проиллюстрирован на рис. 4.3. Этот принцип применяется во всех многофункциональных процессах в косвенном методе ОЖЦ[2].

Для систем управления отходами расширение обычно вполне возможно, но для некоторых продуктов оно требует сбора слишком большого количества данных о многочисленных системах, которые не имеют прямого отношения к проблеме, решаемой в исследовании. Вместо этого стандарт ISO рекомендует:

– Производить распределение между разными системами продуктов по критерию технической полезности процесса для каждой из систем. Например, для когенерации электричества и тепла такой критерий – это обычно содержание энергии в МДж электричест-
ва и тепла.

– В некоторых случаях невозможно определить технический критерий, который подходил бы для обеих систем. В таких случаях рекомендуется распределение на основе экономического критерия, обычно относительная цена выходящих потоков. Классический пример – это добыча бриллиантов, в которой (как минимум) есть два выходящих потока: необработанные алмазы и дорожно-строительный материал. Невозможно определить общий технический критерий для обоих этих продуктов, поэтому экологическое воздействие от процесса добычи алмазов распределяется на основе относительной цены (что в данном случае представляется справедливым).

Распределение присутствует в прямом методе проведения ОЖЦ[3].

Чтобы проиллюстрировать разные подходы к управлению многофункциональными процессами, рассмотрим случай отходов от процесса сжигания, у которого имеется две функции: переработка отходов и генерация электричества для использования местным населением (путем утилизации тепла от сжигания). Если ОЖЦ сравнивает между собой разные альтернативные подходы к управлению отходами, то только первая функция, переработка отходов, является основной, и в прямом моделировании жизненного цикла выбросы от процесса сжигания делятся (распределяются) между обеими функциями, переработка отходов и генерация электричества, в соответствии, например, с их относительной стоимостью. В косвенном моделировании жизненного цикла проблема многофункциональности решается путем вычета из процесса сжигания отходов предотвращенных выбросов и предотвращенного использования ресурсов в рамках наиболее вероятного альтернативного способа производства электричества (например, угольной электростанцией).

Вторую альтернативу на рис. 4.3 можно также описать как вычет или анализ компенсаций – в данном случае выбросы от обычной электростанции, предотвращенные в результате производства энергии из отходов вычитаются из выбросов, связанных с переработкой отходов. Аналогичным образом, когда в рамках управления отходами часть материалов перерабатывается, и эти материалы используются для производства новых продуктов, это предотвращает использование определенного количества природных материалов. Чтобы произвести вычисления на основе инвентаризации жизненного цикла для общего процесса, LCI включает разницу в выбросах между производящими процессами на основе первичных и вторичных материалов, и величины LCI отрицательны, когда вторичное использование является прибыльным (например, выбросы от процесса вторичного производства минус выбросы от производства из первичных материалов).

Рис. 4.3. Принцип расширения системы и вычета
для получения функциональной эквивалентности различных систем
в ОЖЦ управления отходами