Подходы к снижению выбросов парниковых газов от полигонов ТКО на примере республики Крым
Авторы: Коновалова Екатерина, Николаева Полина, Ахметшина Фарида, Гатаулин Руслан, Гарейс Тимофей, Данилов Ярослав, Салемянова Рената
Введение
Парниковый эффект, обусловленный ростом концентрации парниковых газов (ПГ) в атмосфере, является одной из наиболее острых глобальных проблем современности, оказывая прямое влияние на изменение климата, экосистемы и социально-экономическое развитие. Среди различных антропогенных источников выбросов ПГ значительную, но часто недооцененную роль играет сектор обращения с твердыми коммунальными отходами (ТКО). Для Российской Федерации, ратифицировавшей Парижское соглашение и взявшей на себя обязательства по снижению выбросов, создание эффективной системы учета и управления эмиссией ПГ от объектов размещения отходов становится критически важной задачей. В этом контексте Республика Крым представляет собой релевантный и показательный объект для исследования.
Целью данного проекта является исследование выбросов парниковых газов от полигонов ТКО на примере Республики Крым и анализ подходов к их снижению.
Общая информация о парниковом эффекте
Парниковые газы
Парниковые газы — это газообразные вещества природного или антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение.
Основные парниковые газы:
- водяной пар
- углекислый газ
- метан
- озон
- оксид азота
Парниковый эффект
Парниковый эффект — это способность атмосферы задерживать часть теплового излучения поверхности планеты, что приводит к аккумуляции тепла климатической системой планеты и повышению температуры поверхности Земли за счёт скопления парниковых газов в нижних слоях атмосферы.
Парниковые газы свободно пропускают солнечные лучи, нагревающие Землю, но удерживают значительную часть теплового излучения, не позволяя ему вернуться обратно в космическое пространство.
Актуальность проблемы парникового эффекта
Актуальность проблемы парникового эффекта заключается в следующем:
Изменение климата. Глобальное потепление сопровождается экстремальными погодными условиями, такими как ураганы, засухи и наводнения, которые наносят ущерб различным регионам.
Экономические последствия. Изменение климата приводит к увеличению затрат на адаптацию экономики, инфраструктуры и здравоохранения к новым условиям.
Социальные факторы. Повышение уровня моря и другие климатические изменения могут привести к перемещению больших групп населения, что создаёт риск гуманитарных и социальных кризисов.
Угроза биологическому разнообразию. Около 1 миллиона видов животных и растений находятся под угрозой исчезновения из-за изменений климатических условий.
Необходимость учёта выбросов парниковых газов
Учет выбросов ПГ является ключевым для разработки мер по их сокращению. Это включает в себя:
Мониторинг и отчетность. Создание систем учета и отчетности по выбросам, что позволяет странам и компаниям понимать свои экологические воздействия.
Разработка эффективных стратегий. Анализ данных о выбросах позволяет разрабатывать целенаправленные стратегии по снижению поведения и использования ресурсов.
Анализ выбросов
Материалы для анализа
В Российской Федерации осуществляется сбор и формирование статистических данных о количестве, видах выбросов ПГ. Государственный учет выбросов ПГ осуществляется уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в целях получения достоверной информации о выбросах ПГ, образовавшихся в результате хозяйственной и иной деятельности регулируемых организаций, а также обеспечения государственных органов, органов местного самоуправления, юридических лиц, индивидуальных предпринимателей и граждан такой информацией. Государственная статистическая отчетность о ПГ формируется на основе государственного статистического наблюдения, осуществляемого Федеральной службой государственной статистики (Росстат).
Анализ выбросов ПГ по секторам
Данные взяты из российского национального кадастра антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями ПГ, не регулируемых Монреальским протоколом, обновлены в ноябре 2024 года.
suppressMessages(library(tidyverse))
a <- dir(pattern = "*.xlsx") %>%
str_subset("~", negate = TRUE) %>%
str_subset("2023", negate = TRUE) %>%
str_subset("[:digit:]. ")
res <- list()
for(i in 1:length(a)){
suppressMessages(
b <- readxl::read_excel(a[i], skip = 4)
)
res[[i]] <- b %>%
rename(type = 1) %>%
filter(str_detect(type, "\\)|в том чи", negate = TRUE))
}
d <- a %>%
str_replace_all("Выбросы парниковых газов, связанны", "") %>%
str_replace_all(".xlsx", "") %>%
substr(., 8, nchar(.)) %>%
`names<-`(res, .) %>%
map_dfr(rbind, .id = "parametr") %>%
pivot_longer(names_to = "year", values_to = "pollution",
-c("parametr", "type")) %>%
filter(type != "Всего") %>%
mutate(year = as.numeric(year))d %>%
group_by(parametr) %>%
summarise(pollution = mean (pollution)) %>%
ggplot(aes(parametr, pollution)) +
geom_col(fill = "steelblue3", color = "steelblue3", width = 0.7) +
labs (x = "Сектор \n(Выбросы парниковых газов, связанные с...)", y = "Среднее значение выброса, \nв миллионах тонн СО2-эквивалента в год",
title = "Выбросы парниковых газов по секторам") +
theme_light() +
theme(axis.text.x = element_text(angle = 90, hjust = 1))
*Знак «минус» по выбросам ПГ, связанных с землепользованиеv, означает абсорбцию (поглощение) ПГ из атмосферы.
Выводы:
В России актуальность создания национальной системы учета выбросов ПГ значительно возросла в связи с глобальной климатической повесткой и ратификацией Парижского соглашения. В рамках этой задачи особую значимость приобретает сектор обращения с ТКО, который до настоящего времени не был полноценно интегрирован в климатическую политику. Ключевой проблемой данного сектора являются полигоны ТКО, выступающие мощным источником CH₄, потенциал глобального потепления которого в 28-36 раз выше, чем у CO₂. Пренебрежение учетом этих выбросов ведет к значительному искажению данных об общем объеме антропогенного воздействия на климат, а также лишает страну потенциальной возможности генерировать углеродные единицы за счет реализации проектов по сбору и утилизации свалочного газа.
Вклад сектора отходов в общий объем выбросов ПГ
В России актуальность создания национальной системы учета выбросов ПГ значительно возросла в связи с глобальной климатической повесткой и ратификацией Парижского соглашения. В рамках этой задачи особую значимость приобретает сектор обращения с ТКО, который до настоящего времени не был полноценно интегрирован в климатическую политику. Сектор отходов представляет значительный потенциал для сокращения выбросов парниковых газов, особенно в регионах с высокой рекреационной нагрузкой. Управление отходами должно рассматриваться как важная составляющая климатической политики.
Твердые коммунальные отходы – это товары и предметы, утратившие свои потребительские свойства, образующиеся в процессе жизнедеятельности человека в жилых помещениях, а также мусор, образующийся в процессе деятельности юридических лиц и индивидуальных предпринимателей, подобный по составу отходам из жилых помещений. Объемы образования ТКО в мире и в России неуклонно растут, что напрямую связано с экономическим развитием, ростом потребления и урбанизацией.
Сектор обращения с отходами вносит значительный и специфический вклад в глобальные выбросы ПГ, который характеризуется следующими процессами:
- Анаэробное разложение органических отходов на полигонах ТКО
- Обработка сточных вод
- Сжигание отходов
Анализ выбросов ПГ, связанных с отходами
Выбросы парниковых газов, связанные с отходами представлены на диаграмме.
d %>%
filter(parametr=="отходами") %>%
ggplot(aes(year, pollution)) +
geom_col (fill = "steelblue3", color = "steelblue3", width = 0.7) +
labs (
x = "Год",
y = "Значение выброса, \nв миллионах тонн СО2-эквивалента в год",
title = "Выбросы парниковых газов",
subtitle = "Сектор: Отходы") +
theme_light() +
facet_wrap(~type, scales = "free") +
scale_x_continuous(
breaks = c(2005, 2010, 2013:2022),
labels = paste0(c(2005, 2010, 2013:2022))) +
theme(
axis.text.x = element_text(
angle = 90, hjust = 1))
Выводы:
Можно сделать следующие выводы:
Захоронение на полигонах является превалирующим способом обращения с твердыми отходами. Удельный вес данного метода в общем объеме составляет стабильно высокие значения (от ~70% до ~72% «Всего»), что указывает на экстенсивную, линейную модель экономики («произвели-выбросили») в сфере управления отходами. Низкий уровень переработки является характерным признаком недостаточно развитой системы ресурсосбережения.
Удельный вес биологической обработки является статистически незначительным (порядка 0,1 % от общего объема отходов).
Наблюдается положительная динамика общего объема образующихся отходов.
Соотношение между основными методами обработки отходов остается относительно постоянным.
Образования ТКО в Республике Крым
Район исследования
Интересным районом для оценки выбросов парниковых газов с ТКО, их мониторинга и разработки подходов к их снижению является Республика Крым, что обусловливается следующими факторами:
Климатический фактор Для Крыма характерен жаркий засушливый климат с большим количеством солнечных дней и высокими среднегодовыми температурами. Эти условия способствуют ускоренному анаэробному разложению органической фракции отходов на полигонах, что приводит к интенсивному и сравнительно быстрому образованию биогаза, основным компонентом которого является метан.
Туристическая нагрузка В летний период объем образования ТКО возрастает в разы, создавая пиковую нагрузку на полигоны.
Управляемость и масштабируемость По сравнению с крупными промышленными регионами инфраструктура обращения с отходами в Крыму имеет более управляемые масштабы. Это позволяет отработать технологии мониторинга (например, с помощью дистанционного зондирования), методы проектирования и эксплуатации систем дегазации на ограниченном числе объектов.
Территория Республики Крым располагается на Крымском полуострове, который находится между 33 - 37° в.д., 44 - 46° с.ш. С запада, юга и северо-востока полуостров омывают Чёрное и Азовское моря. Площадь полуострова около 26860 км. кв., из которых 72 % - равнина, 20 % - горы и 8 % - озёра, реки и другие водные объекты. Рельеф полуострова представляет собой три неравные части: Северо-Крымская равнина с Тарханкутской возвышенностью (около 70% территории), Керченский полуостров и горный Крым, простирающийся тремя грядами на юге.
leaflet() %>%
addTiles() %>%
setView(lng = 34.100318, lat = 44.948237, zoom = 10) %>%
addMarkers(lng = 34.100318, lat = 44.948237) Карта Республики Крым
Основными категориями источников образования отходов определены:
- Жилищный фонд;
- Административно-офисные здания, помещения;
- Объекты общественного питания;
- Объекты социального, культурно-развлекательного, спортивного назначения;
- Объекты бытового обслуживания;
- Торговые объекты различного назначения;
- Объекты образовательных организаций (в т.ч. дошкольных);
- Объекты коллективного размещения (гостиницы, санатории и т.п.);
- Садоводческие, огороднические или дачные товарищества (кооперативы);
- Места погребения (кладбища);
- Объекты транспортной инфраструктуры;
- Производственные помещения, обьекты, площадки, территории.
Динамика изменения объемов образования ТКО в 2020-2022 гг.
Для оценки объемов образования отходов производства и потребления на территории региона, а также перспектив изменений качественного и количественного состава потоков отходов, в качестве исходной информации использованы данные форм федерального статистического наблюдения № 2-ТП (отходы) «Сведения об образовании, использовании, обезвреживании, транспортировании и размещении отходов производства и потребления» (далее - федеральное статистическое наблюдение № 2-ТП (отходы)), утвержденных приказами Росстата на соответствующие периоды. В таблице представлена динамика изменения объемов образованных отходов за 2020-2022 годы по классам опасности.
formattable(f, align = c("c", "c", "c", "c", "c", "c"))| Класс опасности | Образование отходов за 2020, тонн | Образование отходов за 2021, тонн | Образование отходов за 2022, тонн | Темп роста за 2021/2020, % | Темп роста за 2022/2021, % |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 67 | 27 | 31 | 40.30 | 114.81 |
| 2 | 154 | 2789 | 103 | 1811.04 | 3.69 |
| 3 | 83485 | 32134 | 18480 | 38.49 | 57.51 |
| 4 | 700647 | 824689 | 587433 | 117.70 | 71.23 |
| 5 | 1136521 | 2280175 | 2275105 | 200.63 | 99.78 |
| Всего | 1920874 | 3139814 | 2881152 | 163.46 | 91.76 |
Выводы:
На основе данных таблицы можно выделить несколько основных тенденций:
- В 2021 году общий объем отходов вырос на 63,46%, что было обусловлено в первую очередь резким увеличением отходов 5 и 2 классов.
- В 2022 году общий объем отходов сократился на 8,24%. При этом отходы 5 класса, составляющие основную массу, остались практически на уровне 2021 года
- Наблюдается положительная тенденция к последовательному сокращению отходов 3 и 4 классов.
- Для 1 и 2 классов опасности (наиболее вредные) характерны крайне нестабильные показатели. Особенно это касается 2 класса, где в 2021 году был зафиксирован рост, а в 2022 году — резкое падение.
Представленные данные показывают, что, несмотря на некоторое сокращение в 2022 году, общий объем образующихся отходов остается существенно выше уровня 2020 года. Основной экологической проблемой являются отходы 5 класса, объемы которых стабилизировались на высоком уровне. Данные по наиболее опасным отходам (1 и 2 классы) требуют более тщательного анализа для понимания причин резких годовых колебаний.
Прогноз образования ТКО по территории
Прогноз количества образования твердых коммунальных отходов по годам реализации территориальной схемы рассчитан на основании прогнозного значения изменения численности населения субъектов российской федерации за 2018 год и прадставлен на рисунке.
data_long <- q %>%
rename("Регион" = 1) %>%
pivot_longer(
cols = -Регион,
names_to = "Год",
values_to = "Тонны") %>%
mutate(Год = as.numeric(Год))
# График 1
data_long %>%
filter(Регион != "Республика Крым") %>%
mutate(
Тонны = round(Тонны/1000, 1),
Регион = str_replace_all(Регион, "район", "р-н"),
Регион = str_replace_all(Регион, "Городской округ", "г.о."),
) %>%
ggplot(
aes(x = Год, y = Тонны, color = Регион)) +
geom_line() +
geom_point()+
facet_wrap(~Регион, scales = "free") +
labs(title = "",
x = "",
y = "") +
scale_fill_discrete(name = "") +
scale_y_continuous(labels = scales::comma) +
theme_minimal() +
theme(legend.position = "none",
legend.box = "vertical",
legend.justification = "center",
legend.margin = margin(t = 5),
legend.text = element_text(size = 6),
axis.text.x = element_text(angle = 45, hjust = 1, size = 8))
Прогнозные значения образования твердых коммунальных отходов, тонн
Выводы:
Анализ статистических данных свидетельствует об устойчивой тенденции к росту объемов образования ТКО в городском округе Симферополе и городском округе Ялта. .
Полигоны ТКО
На карте отмечены действующие полигоны ТКО в Республике Крым.
leaflet() %>%
addTiles() %>%
setView(lng = 34.100318, lat = 44.948237, zoom = 10) %>%
addMarkers(lng = 33.4036133, lat = 45.2794446, popup = "Полигон ТКО г. Евпатория") %>%
addMarkers(lng = 32.693862, lat = 45.464778, popup = "Полигон ТКО пгт Черноморское") %>%
addMarkers(lng = 33.50155, lat = 45.713977, popup = "Полигон ТКО пгт Раздольное") %>%
addMarkers(lng = 34.936668, lat = 45.386018, popup = "Полигон ТКО пгт Советский") %>%
addMarkers(lng = 34.37503, lat = 45.74091, popup = "Полигон ТКО г. Джанкой") %>%
addMarkers(lng = 34.248982, lat = 45.217512, popup = "Полигон ТКО с. Тургенево")Действующие полигоны ТКО
В Крыму насчитывается 28 полигонов ТБО, общая площадь которых составляет 100–200 гектар. В фокусе исследования находились крупнейшие полигоны региона в Джанкое, Евпатории, Раздольном, Советском, Тургенево и Черноморском, которые входят в перечень официальных объектов с разрешением на деятельность.
Cведения об образовании, обработке, утилизации отходов
Cведения об образовании, обработке, утилизации отходов производства и потребления, представленные региональными операторами и опеаторами, осуществляющими деятельность с твердыми коммунальными отходами по форме 2-ТП (отходы).
formattable(w, align = c("l", "c", "c", "c"))| Показатели | 2020 | 2021 | 2022 |
|---|---|---|---|
| Наличие на начало отчетного периода, тонн | 91300 | 156985 | 0 |
| Образование ТКО за отчетный год, тонн | 937714 | 971046 | 917072 |
| Направлено на обработку, тонн | 1035 | 11411 | 2702 |
| Направлено на обезвреживание, тонн | 2 | 0 | 0 |
| Направлено на утилизацию, тонн | 422 | 0 | 40 |
| Направлено на захоронение, тонн | 1002453 | 1126395 | 915184 |
| Накоплено на конец отчетного периода, тонн | 25108 | 0 | 0 |
На основе данных таблицы можно выделить несколько устойчивых тенденций и проблемных зон в системе обращения с ТКО:
Подавляющий объем ТКО ежегодно направляется на захоронение.
Показатели обработки (сортировки) и утилизации находятся на минимальном уровне. Несмотря на десятикратный рост обработки в 2021 году, в 2022 году этот объем снова резко сократился.
Разработка структурной схемы модели управления ТКО
Смешанный сбор
Смешанный сбор ТКО предполагает сбор всех видов отходов в одном контейнере или мусорном баке, без их предварительной сортировки или разделения по категориям. Однако, даже при данном способе, крупногабаритные и растительные отходы собираются отдельно с целью предотвращения быстрой заполняемости контейнера крупной фракцией. Пути обращения со смешанными отходами могут быть различными: депонирование на полигоне ТКО, сжигание, сортировка на мусоросортировочных станциях (МСС) с последующим формированием рынка вторичных ресурсов.
Раздельный сбор
Раздельный сбор ТКО предполагает разделение отходов на различные категории в момент их сбора. Вместо того, чтобы смешивать все виды отходов в одном контейнере, они собираются и хранятся отдельно в специально предназначенных для этого контейнерах.
К раздельно собранным отходам относится: пластик, стекло, бумага, древесно-растительные, крупногабаритные отходы (КГО).
Факторы при разработке региональной схемы обращения с ТКО
При разработке региональной схемы обращения с ТКО учитываются следующие факторы:
- Объем и состав ТКО в регионе.
- Наличие и состояние инфраструктуры для обращения с ТКО (склады, перерабатывающие предприятия, свалки, утилизационные комплексы и т.д.).
- Экономические возможности региона и его населения для оплаты услуг по обращению с ТКО.
- Экологические требования к обращению с ТКО, в том числе требования к утилизации опасных отходов.
- Социальные аспекты, включая учет интересов населения и организаций, занятых в сфере обращения с ТКО.
- Регулирующие нормативы и законодательство в области обращения с ТКО.
- Перспективы развития региона и изменения в составе ТКО в будущем.
- Возможности использования вторичных ресурсов и переработки ТКО в целях экономии природных ресурсов и сокращения объемов отходов на свалках.
Модели управления ТКО
Модель регионального обращения с ТКО представляет собой комплексную систему, объединяющую все этапы жизненного цикла отходов – от сбора до переработки. Представленная модель на рисунке позволяет количественно оценить материальные, энергетические, экономические и экологические параметры при том или ином сценарии управления отходами.
Технологические решения для участка мобильной сортировки коммунальных отходов
Мобильные мусоросортировочные комплексы предназначены для автономной оперативной сортировки твердых коммунальных отходов в местах, где строительство стационарных мусоросортировочных линий невозможно или нецелесообразно (свалки мусора, закрытые полигоны ТКО, площадки временного накопления отходов и т.д.). Обработку коммунальных отходов предполагается осуществлять с применением мобильного оборудования и сборно-разборных конструкций сортировки. Блок-схема технологического решения представлена на рисунке 6.
Измельчение
Первым этапом обработки является измельчение поступающих отходов на мобильном измельчителе с возможностью отделения черных металлов. Измельчение материалов в шредере осуществляется за счет воздействия на компонент разрывающего усилия, создаваемого при заклинивании компонента между вращающимися друг навстречу другу рабочими роторами, оснащенными ножами, либо между ротором и корпусом шредера.
Грохочение
Далее материал направляется на участок мобильного грохочения, на котором происходит отделения фракции менее 70 мм (преимущественно органической), черных металлов и основного потока, который направляется на участок ручной сортировки. На данном участке в ручном режиме происходит сепарация из входящего материала вторичных сырьевых материалов (пластики, цветные металлы, картон/бумага).
Сортировка
Сортировка мусора производится в сортировочной кабине. Сортировочная кабина представляет собой открытую или закрытую площадку. Закрытая кабина представляет собой термо-, влагоизолированное каркасное сооружение. Внутри сортировочной кабины установлена конвейерная лента, длина которой зависит от числа постов сортировщиков. Ширина конвейерной ленты ограничивается эргономически обоснованной зоной доступа для персонала. Конвейерную ленту требуется оснащать защитными бортами для предотвращения попадания под движущуюся ленту рук рабочих и посторонних предметов. Также можно регулировать скорость движения ленты, что позволяет подстроить производительность линии и количество рабочих под изменчивый входящий поток. Каждое рабочее место следует оснащать кнопкой аварийного отключения.
Пресс-компактор и вывоз
Пресс-компактор – это устройство, которое перерабатывает отходы при помощи специального пресса. Подобная технология позволяет выполнять эффективную утилизацию отходов, способствует сокращению их объёма и улучшает гигиенические и санитарные показатели. Пресс-компакторы могут использоваться как в быту, так и в промышленности. Оставшиеся «хвосты» вывозятся с площадки обработки в контейнерах в спрессованном виде после пресс-компактора.
Выводы:
Технологические решения для участка мобильной сортировки твердых коммунальных отходов позволяет повысить эффективность сортировки, сократить объем отходов, улучшить качество переработки и утилизации, а также активно вовлечь местное население в решение проблемы отходов. Реализация таких технологических решений является важным шагом на пути к устойчивому развитию и созданию более экологически чистых и здоровых городов и регионов.
Модель оценки выбросов ПГ от полигонов ТКО на основе показателя площади
Установление зависимости между площадью полигона и объемом генерируемых парниковых газов (в частности, CO₂) позволяет количественно оценить вторичный экологический эффект от внедрения сортировочных технологий. В работе представлен алгоритм для ориентировочной оценки годовых валовых выбросов CO₂, образующихся в процессе деструкции органической фракции ТКО на объектах размещения. Расчетная модель использует в качестве базового входного параметра площадь полигона ТКО, что позволяет проводить предварительный скрининговый анализ эмиссии парниковых газов при ограниченной доступности исходных данных.
Для получения оценочного значения валовых выбросов CO₂ необходимо ввести в поле площадь полигона ТКО в гектарах (га).
Калькулятор выбросов CO2
Заключение
Исследование подтвердило, что полигоны ТКО в Крыму вносят значительный вклад в выбросы парниковых газов, а разработанная методика на основе площади полигона позволяет эффективно оценить эти объемы для первоначального скрининга.
Для решения проблемы предлагается внедрение трех ключевых мер:
Внедрение систем сбора свалочного газа на крупных полигонах с последующей утилизацией.
Развитие раздельного сбора отходов и компостирования органики.
Использование мобильных сортировочных станций для сокращения объема захораниваемых отходов.
Полученные результаты и методическая база формируют основу для региональной климатической политики. Опыт Крыма, как региона с острой и репрезентативной ситуацией, может быть успешно тиражирован в других субъектах Южного федерального округа.