Особенности и примеры применения ОЖЦ - Методы управления отходами горного производства

Сегодня существуют различные методы анализа экологических систем, например оценка экологического риска, оценка экологической эффективности, экологический аудит и оценка воздействий на окружающую среду, стратегическая экологическая оценка, анализ материальных потоков. Тем не менее, место основного метода для оценки экологического воздействия систем управления отходами принадлежит Оценке жизненного цикла (ОЖЦ) (также известной как анализ "от колыбели до могилы") [50]. Оценка жизненного цикла систем управления отходами может проводиться по двум направлениям. Одно из направлений проведения ОЖЦ - это оценка потенциального экологического воздействия различных технологий утилизации отходов с целью оценки их общей экологичности и/или выявления процессов, стадий требующих оптимизации. Другим направлением является анализ различных альтернативных систем управления отходами для достижения целей устойчивого развития и определения направления для развития экологических стратегий [51]. ОЖЦ позволяет сравнивать различные технологии, техники, программы управления отходами и выявлять наиболее эффективные для данных условий, обеспечивающие минимальное воздействие на окружающую среду и здоровье человека.

Применение оценки жизненного цикла к сложным системам, как система управления отходами, связано с определенными сложностями и особенностями, среди которых можно выделить: определение границ продукционной системы; определение функциональной единицы; учет предотвращенного воздействия; временной аспект; углеродный баланс; проведение оценки воздействий на окружающую среду.

Определение границ продукционной системы. При оценке жизненного цикла, как было сказано выше, производится оценка определенного продукта или услуги на протяжении всего его жизненного цикла, начиная с добычи сырья/производственного процесса (колыбель) до конца цикла/фазы удаления (могила). Систему управления отходами можно рассматривать как услугу, которая выполняет различные функции для общества. Однако, при оценке жизненного цикла систем управления отходами сложно определить понятия "колыбель", "могила", так как отходы состоят из различных видов продукции и включение в анализ добычу ресурсов для всех видов продукции, превратившихся в отходы невозможно, "колыбель" для отходов должна соответствовать "могиле" продукции. Поэтому в ОЖЦ управления отходами, "начальные" процессы не учитываются, исключаются из анализа [52], и отходы рассматриваются без входных потоков, а стадия "колыбель" начинается с процесса сбора отходов. Системные границы оценки жизненного цикла показаны на рисунке 2.4. В течение своего жизненного цикла продукция проходит ряд последовательных процессов. При проведении ОЖЦ продукции учитываются входные и выходные потоки всех этих процессов, относящихся к данному продукту. Касательно оценки жизненного цикла отходов оценка включает в себя определенную комбинацию процессов, участвующих в утилизации отходов, состоящих из множества продуктов.

Конечную стадию жизненного цикла систем управления отходами также сложно определить. Окончанию жизненного цикла отходов должно соответствовать состояние, когда рассматриваемые отходы превращаются в инертный материал или полностью трансформируются в эмиссии в атмосферный воздух и/или поверхностные и подземные воды [43]. Для перерабатываемых отходов очень сложно однозначно определить это состояние и момент окончания продукционной системы. Жизненный цикл заканчивается, когда обработанные отходы вторично используются в производстве, а замененное первичное сырье и связанные с его производством эмиссии и энергозатраты учитываются в виде "кредитов". Основная идея здесь заключается в том, что переработанный материал, покидающий систему управления отходами, должен быть абсолютно идентичным первичному сырью и стать его полноценной заменой. На практике это правило очень сложно применить, поскольку переработанное вторичное сырье отличается по качеству и свойствам и находит иное применение, чем первичное [53]. Например, часто полученные хлопья и гранулы вторичного пластика используются для производства различных изделий широкого потребления (предметы мебели, тазики) или как добавку в строительные материалы.

Рисунок 2.4-Границы ОЖЦ в управлении отходами [52]

Для повышения прозрачности ОЖЦ и облегчения установления границ продукционной системы принято рассматривать систему жизненного цикла отходов как состоящую из 2 частей. Сама система управления отходами рассматривается в качестве системы "переднего плана", а все процессы, имеющие отношение к этой системе включаются в так называемую систему "заднего плана", что обеспечивает получение полной картины жизненного цикла. В системе "переднего плана" учитываются все виды деятельности самой системы управления отходами, включая сбор, транспортировку, сортировку, сжигание, переработку, полигонное захоронение, компостирование и др. Потребление ресурсов и эмиссии, сопровождающие процессы системы "переднего плана" называются прямыми воздействиями. Все остальные процессы, не связанные напрямую с системой управления отходами относятся к системе "заднего плана". Так, например, транспортировка переработанного материала от мусоросортировочного комплекса на предприятие по его использованию будет относиться к процессам системы "заднего плана". Потребление ресурсов и эмиссии, производящиеся процессами системы "заднего плана" называются косвенными воздействиями. Количество ресурсов и эмиссий, которые сохраняются за счет использования отходов относятся к предотвращенному воздействию или "кредитам". Полное воздействие рассчитывается как: прямое воздействие + косвенное воздействие - предотвращенное воздействие = общее воздействие [54]. Таким образом, результаты оценки воздействия могут получиться отрицательными.

Определение функциональной единицы. Функциональная единица (functional unit) ? количественно выраженная результативность системы жизненного цикла продукции, используемая в качестве единицы сравнения [57]. Поскольку ОЖЦ разрабатывалась изначально как средство оценки экологичности продукции, сложностей с определением функциональной единицы не возникало. Для исследований продукции функциональной единицей является установленное количество данного продукта. Выбор функциональной единицы для систем управления отходами более проблематичен и связано это с несколькими аспектами. Во - первых, система управления отходами, часто выполняет не одну функцию. Интегрированная система, например, может наряду с удалением отходов являться производителем электроэнергии, тепла или вторичного сырья, в зависимости от вида утилизируемых отходов и используемых технологий. Тем не менее, основной функцией любой системы управления отходами остается удаление отходов, производимых в конкретной географической точке в соответствии с требованиями и нуждами общества. Поэтому основной функциональной единицей при проведении ОЖЦ системы управления отходами является определенное количество отходов определенного состава на конкретной территории [43]. Наиболее часто функциональной единицей служит 1 тонна отходов. Этот подход к выбору функциональной единицы обладает одним недостатком: на состав и количество отходов может оказать существенное влияние тип и организация самой системы управления отходами и, в частности, предусмотренные мероприятия по предотвращению и снижению образования отходов, что особенно важно при оценке альтернативных сценариев [54]. Построение динамичной модели системы управления отходами может стать решением этой проблемы, однако, подобные методологические исследования еще не проводились. В качестве функциональной единицы может быть выбрано любое количество отходов. Таким образом, для каждого исследования по ОЖЦ систем управления отходами должно быть четко определено: количество и состав отходов; регион и период времени, в течение которого состав отходов не меняется [54].

Распределение воздействий. Введение дополнительных функциональных единиц поднимает вопрос о распределении рассчитанных воздействий по рассматриваемым функциональным единицам для того, чтобы обеспечить сравнимость различных систем и продукции. Распределения можно избежать за счет расширения продукционной системы с включением всех процессов для всех функций, но это ведет к усложнению системы и трудоемко для применения. Дополнительными функциями интегрированных систем управления отходами, как было сказано, может быть производство электроэнергии, тепла и вторичного сырья (пластика, металла, бумаги). В случае с производством электроэнергии получаемый результат идентичен результату с использованием природных ресурсов, то есть отходы полностью заменяют первичное сырье. Проблема распределения здесь решается за счет введения "кредитов" за ресурсы, материалы, эмиссии, которые удалось сохранить в результате использования отходов. Основная идея этого подхода заключается в том, что отходы как источник энергии, сокращают расход первичных ресурсов для производства этой же энергии и тем самым предотвращают образование эмиссии, сопровождающих этот процесс. Распределение воздействий для учета полученного из отходов вторичного сырья основано на таком же подходе. В случаях, когда вторичное сырье используется как равноценная замена первичного, то есть при производстве той же продукции, отходы, которой были переработаны, сохраненное количество ресурсов и предотвращенное количество выбросов, сбросов загрязняющих веществ, образующихся в результате всех производственных процессов по получению продукции на основе исходного сырья, включаются в анализ жизненного цикла исследуемой системы в виде предотвращенного воздействия. В случаях, когда качество и другие объективные причины не позволяют использовать вторичное сырье в производстве исходной продукции, данный материал может находить применение в других производственных сферах. В зависимости от вида заменяемого материала величина предотвращенного воздействия на окружающую среду может различаться. При проведении ОЖЦ здесь необходимо решить, включать ли все варианты использования переработанного материала, или же сделать упор на одно наиболее важное применение, или же сфокусироваться на выборе нескольких наиболее значимых способов [43]. В большинстве анализов по ОЖЦ для не допущения усложнения продукционной системы выбирается один вариант использования вторичного сырья, что обеспечивает сравнимость результатов оценки различных исследований. Зачастую включить все возможные варианты с применением сырья из отходов в оценку практически неосуществимо.

Временной аспект. При оценке жизненного цикла систем управления отходами также сложно определить временные границы продукционной системы. В первую очередь, это касается полигонов захоронения отходов, которые являются обязательным элементом любой схемы утилизации отходов. Все процессы обращения с отходами сопровождаются образованием неутилизируемых остатков, единственным способом удаления которых является захоронение на полигонах. Например, при сжигании отходов образуются зола и шлаки, а при сортировке - некондиционные фракции. Полигоны продолжают оставаться источниками эмиссий в окружающую среду очень длительное время, пока идет разложение полигонного материала. Рассчитать точную продолжительность процессов в теле полигона, являющихся причиной эмиссий очень сложно. Поэтому при проведении ОЖЦ можно либо лишь субъективно не учитывать эмиссии после определенного периода времени, или рассматривать полигон, как абсолютно стабилизировавшуюся систему после прошествия рассчитанных условных лет, не включая в расчеты все эмиссии до окончательной ассимиляции в окружающей среде полигонного материала [43].

Углеродный баланс. Следующим вопросом, относящимся к ОЖЦ систем управления отходами является учет углеродного баланса, а именно выбросов углекислого газа, относящихся к биогенным источникам. Данный вопрос приобрел за последние годы очень важное значение в связи с повышением внимания мировой общественности к проблемам изменения климата и принятием Киотского протокола. Спорным моментом здесь является, решение вопроса, вносит ли вклад в изменение климата CO2 биогенных источников. Биогенные материалы (например древесина) - это неисчерпаемый источник энергии, который во время своего роста поглощает то количество углекислого газа, который и выделяется при сжигании или разложении биомассы [43]. Или же можно допустить, что биотические ресурсы, например то же дерево, достигая определенного возраста погибает и медленно разлагается в окружающей среде, выделяя углекислый газ. Поскольку ОЖЦ систем управления отходами исключает все процессы, связанные с производством продукции и образованием отходов, количество поглощенного СO2 растущей биомассой не учитывается. Поэтому считается, что СO2 биогенных источников оказывает нулевое воздействие, является нейтральным. Но вместе с тем, это допущение вызывает ряд серьезных последствий, оказывающих значимое влияние на результаты ОЖЦ [53], искажая их или усложняя проведение оценки. Например, рассмотрим, как учитывается выделение углекислого газа при сжигании отходов и их захоронении. При сжигании биотических ресурсов практически 100 % углерода выделяется в виде углекислого газа. В инвентаризации выбросов это количество СO2 , как было сказано выше, не учитывается. При захоронении отходов около 70 % биологического материала разлагается и в течение короткого периода времени углерод выбрасывается в виде СO2 и СН4. При этом выбросы СO2 не учитываются, а СН4 участвует в дальнейших расчетах оказываемого воздействия. Для снижения влияния этого момента на результаты допускается, что потенциал глобального потепления СН4, соответствующий эквивалентному количеству СO2, необходимо вычесть из общего потенциала глобального потепления полигона отходов [53], считается, что 30 % углерода остается в теле полигона. Количество углерода, остающееся в теле полигона, является связанным углеродом, и учет его положительного действия возможен только за счет введения "отрицательных эмиссии" [43]. В методологической литературе предлагается несколько вариантов решения этой проблемы. Первый вариант, включить в инвентаризацию подробное моделирование процессов, в которых происходит поглощение углекислого газа. Поэтому общий баланс газа уже включает количество потребленного газа и источник его происхождения (биотический, абиотический) не имеет значения. Этот подход является правильным и позволяет избежать ошибок, но отличается трудоемкостью. Второй более простой подход - это учет отрицательных выбросов углекислого газа в качестве связанного углерода [53].

Оценка воздействия на окружающую среду - это фаза ОЖЦ, направленная на анализ и оценку величины и значения потенциальных экологических воздействий оцениваемой продукционной системы [11]. При проведении ОЖЦ, как правило, неизвестно, где и когда будут происходить все эмиссии. Это является причиной, почему ОЖЦ анализирует не настоящее воздействие, а ограниченно оценкой потенциального воздействия. Ситуация еще больше усложняется при оценке полигонов, когда воздействие происходит в длительном временном отрезке. Количество эмиссий нельзя измерить, их можно только смоделировать, предсказать, рассчитать. Таким образом, получается, что ОЖЦ полигонов может оценивать только потенциальные эмиссии, нежели действительные. Этот момент усложняет в значительной степени проведение оценки воздействий, поскольку необходимо учитывать спрогнозированные фоновые концентрации и другими аспекты, оказывающие влияние на оценку. Общепринятым решением в данном случае служит учет всех эмиссий, как будто они происходят в одно и то же время.

Определение ОЖЦ предусматривает включение в оценку всего жизненного цикла без временных ограничений. То есть все эмиссии должны быть включены в расчет, независимо от того, когда они происходят. Однако, из-за сложности применения этого подхода и реализации его на практике исследования ОЖЦ проводят с установленным периодом для анализа. При этом допущении все эмиссии после определенного принятого срока не учитываются, то есть влияние на будущие поколения не важно, что противоречит требованиям устойчивого развития [53]. Например, данное допущение используется, когда воздействие полигонного захоронения рассматривается только в течение выбранного периода времени.

Множество исследований было выполнено для анализа охвата, ограничений и потенциала ОЖЦ, как метода поддержки принятия решений в области управления отходами, среди которых работы Barton и Patel (1996), Bjоrklund A. (2000), Ekvall и Finnveden (2000), Rebitzer и др. Hellweg (2001), (2004), Pennington и др. (2004), Rechberger и Brunner (2004), Bilitewski и Winkler (2007), Ekvall и др. (2007), Gheewala и Liamsangun (2008), Pennington и Koneczny (2007), Cherubini и др. (2008), Christensen, Astrup и др. (2007, 2011), Сlift R. и др. (2000), White и др. (1995), Bjarnadуttir Н. и др. (2002), Boer E. и др. (2005). Schebek (2007). В данных работах решаются вопросы адаптации методологии ОЖЦ применительно к системам управления отходами, выявляются и решаются возникающие проблемы и особенности.

Сегодня Оценка жизненного цикла находит широкое практическое применение в области управления отходами для определения общей экологической нагрузки и оценки потенциальных воздействий от применения того или иного решения, это подтверждается многочисленными исследованиями, проведенными за рубежом с применением этого метода. Так, например, Al-Salem S. M и Lettieri Р. (2009) разработали и сравнили 3 сценария утилизации ТБО в Кувейте. Инвентаризационный анализ проведен с помощью метода IWM-2 [19]. В работе Dodbiba и др. (2008) механическая переработка отходов пластика была сравнена с сжиганием с помощью ОЖЦ. Было заключено, что механическая переработка пластиков, образующихся в результате разборки старых телевизоров более предпочтительная опция по сравнению с классическим сжиганием, которое оказывает большее воздействие на окружающую среду [55]. Исследование Khoo H. H, Lim T. L, Tan R. B.H (2009) сценариев утилизации органических отходов в Сингапуре с учетом выбросов, полезной энергии, получаемой при сжигании отходов, миграции двуокиси углерода при использовании компоста показало, что аэробное компостирование наиболее предпочтительно по сравнению с сжиганием [56]. Luciano M. и др. (2007) провели оценку 7 различных мусоросжигательных установок в Италии, использующих разные технологии, отличающиеся по системам очистки отходящих газов и эффективности восстановления энергии. Было выявлено, что чем новее установка для сжигания, тем она более эффективна для сжигания равного количества отходов [63]. Zaman A. U. (2010) провел оценку с применением ОЖЦ трех различных технологий утилизации отходов: санитарное полигонное захоронение, сжигание, газификация-пиролиз. Анализ показал, что санитарное полигонное захоронение при использовании в качестве топлива свалочного газа под жестким контролем, не допускающим эмиссий, оказывает меньшее негативное воздействие на окружающую среду по сравнению с термическими методами, несмотря на то, что полигоны оказывают большее воздействие на фотохимические окисление, глобальное потепление и закисление. Тем не менее, из-за ограниченности земельных ресурсов, сложности организации контроля за эмиссиями, продолжительности жизненного цикла применение полигонов не предпочтительно. Среди термических методо газификация-пиролиз является более экологичным методом из-за большей эффективности восстановления энергии [60] по сравнению с обычным сжиганием на колосниковых решетках. J. Kaazke (2011) провела анализ сценариев утилизации ТБО для двух городов России Ханты-Мансийска и Сургута. Основной целью ее исследования являлось определение влияния состава отходов и транспортной логистики на результаты оценки и сравнение разработанных сценариев утилизации отходов с существующей системой с помощью методологии оценки жизненного цикла. Для сравнения были разработаны сценарии, основанные на различных методах утилизации ТБО: сжигание, аэробная механико-биологическая обработка, анаэробная механико-биологическая обработка с размещением неутилизируемых компонентов на существующем полигоне. Разработанные сценарии рассматриваются с учетом выделения ценных компонентов и их переработки с показателем до 20 % от всего объема ТБО. Результаты оценки для двух городов идентичны, введение сортировки отходов значительно повышает экологичность системы управления отходами. Состав отходов может оказать значительное влияние на полученные результаты, определяя большее или меньшее воздействие, например, доля органики, меняющаяся в течение года, оказывает наибольшее влияние на категорию образование парниковых газов: увеличение доли органических отходов зимой повышает образование углекислого газа и метана. Также данное исследование подтвердило, что параметр расстояние для транспортировки отходов оказывает пренебрежительно малое воздействие на результаты ОЖЦ. Чем больше расстояние для транспортировки отходов, тем выше воздействие на окружающую среду. В результате исследования было выявлено, что наилучшими сценариями для обоих городов являются сжигание отходов и анаэробная механико-биологическая обработка отходов с переработкой 20 % отходов, которые имеют практически равные показатели воздействия на окружающую среду [61].

В России Вайсманом Я. И. и др. разработан метод оценки сценариев движения отходов с учетом всего жизненного цикла ТБО на основе ресурсно-эколого-экономического критерия. Принципы обращения с ТБО были классифицированны по 4 основным группам: экономия природных ресурсов; экологически безопасное обращение с отходами; экономия финансовых ресурсов; исключение экспорта отходов во времени. С учетом этих принципов выделяют 4 соответствующие группы показателей, позволяющих провести сравнительную оценку сценариев утилизации ТБО К ресурсной группе показателей отнесены: экономия вторичных ресурсов ТБО; экономия земельных ресурсов; энергосбережение. К экологической группе отнесены: загрязнение атмосферы; загрязнение гидросферы. К экономической - удельная стоимость обращения с 1т ТБО. Исключение экспорта отходов во времени характеризуется показателем "Вечное захоронение". Разработанный метод был верифицирован на примере г. Перми, с оценкой 19 различных сценариев санитарной очистки бытовых отходов. Выбран оптимальный сценарий движения ТБО, включающий компостирование отходов с применением раздельного сбора, вывозом через МПС, сортировкой на компостном заводе с получением вторичного сырья. Предложенный метод и полученные на его основе результаты могут быть использованы для выбора стратегии и тактики развития схем санитарной очистки для любой территории [62]. В условиях ограниченного количества исследований по оценке жизненного цикла систем управления отходами в России практический интерес представляет собой научная работа Притужаловой О. А. [30]. В работе были изучены методологические основы оценки жизненного цикла и особенности их развития в России, а также была доказана практическая применимость метода в российских условиях путем проведения сравнительной экологической оценки упаковки напитков из комбинированных материалов, производящейся в России и Германии. При сравнении жизненных циклов упаковки были смоделированы 3 сценария: Федеративная республика Германия (сценарий 1), Московская область (сценарий 2) и Тюменская область (сценарий 3). Результаты исследования показали существенно меньший потенциал воздействия на окружающую среду упаковки напитков, производимой и потребляемой в Германии. Сравнение сценариев для Московской и Тюменской областей показало, что меньшим потенциалом экологического воздействия обладает упаковка, производимая и используемая в Московской области, что во многом обусловлено удаленностью Тюменской области от центров производства используемого сырья и упаковочных веществ.

Таким образом, Оценка жизненного цикла является эффективным аналитическим методом для сравнения различных сценариев и технологий утилизации отходов и находит широкое практическое применение в области управления отходами.

Особенности и примеры применения ОЖЦ - Методы управления отходами горного производства

Похожие статьи