Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ системы обращения с твердыми отходами потребления как основного элемента инфраструктуры городского хозяйства 15
1.1. Состав и свойства твердых отходов потребления 19
1.2. Анализ технологических особенностей системы обращения с твердыми отходами потребления на городских территориях 28
1.3. Оценка негативного воздействия системы обращения с твердыми отходами потребления на окружающую городскую среду 38
1.4. Исследование методических подходов к формированию системы обращения с твердыми отходами потребления 47
1.5. Роль и место предприятий ЖКХ по обращению с твердыми отходами потребления в инфраструктуре городского хозяйства 53
Выводы. Цель и задачи исследования 59
2. Совершенствование теоретических основ защиты окружающей среды от негативного воздействия твердых отходов потребления 61
2.1. Описание свойств твердых отходов потребления с позиции теории дисперсных систем 61
2.2. Физическое моделирование процесса загрязнения окружающей среды твердыми отходами потребления 72
2.3. Физическое моделирование процесса снижения загрязнения окружающей среды твердыми отходами потребления 76
2.4. Разработка классификационной схемы системы снижения негативного воздействия твердых отходов потребления на окружающую среду 87
2.5. Обоснование выбора оптимальной схемы реализации системы снижения негативного воздействия твердых отходов потребления (ССНВТОП) на окружающую среду в условиях городского хозяйства 90
2.6. Математическое описание результирующих параметров реализации процесса СНВТОП на окружающую среду 109
3. Разработка методики оценки и выбора экологически эффективной и энергетически экономичной системы обращения с твердыми отходами потребления на городских территориях 120
3.1. Разработка методики оценки и выбора экологически эффективной и энергетически экономичной системы обращения с твердыми отходами потребления 122
3.2. Формирование блока исходных данных с учетом экологических и технологических особенностей сбора и транспортирования твердых отходов потребления 125
3.3. Разработка и описание алгоритма реализации методики оценки и выбора экологически эффективной и энергетически экономичной системы обращения с твердыми отходами потребления на городских территориях 126
3.4. Совершенствование способов и средств сбора и транспортирования твердых отходов потребления 128
4. Практическая апробация методики оценки и выбора экологически эффективной и энергетически экономичной системы обращения с твердыми отходами потребления на городских территориях 131
4.1. Реализация методики оценки и выбора экологически эффективной и энергетически экономичной системы обращения с твердыми отходами потребления на городских территориях 132
4.1.1. Реализация методики оценки и выбора экологически эффективной и энергетически экономичной системы обращения с твердыми отходами потребления на территории г. Ростова-на-Дону 132
4.1.2. Реализация методики оценки и выбора экологически эффективной и энергетически экономичной системы обращения с твердыми отходами потребления на территории г. Ейска 141
4.2. Использование результатов исследований в учебном процессе 149
Заключение 151
Список использованных источников
- Анализ технологических особенностей системы обращения с твердыми отходами потребления на городских территориях
- Физическое моделирование процесса снижения загрязнения окружающей среды твердыми отходами потребления
- Формирование блока исходных данных с учетом экологических и технологических особенностей сбора и транспортирования твердых отходов потребления
- Реализация методики оценки и выбора экологически эффективной и энергетически экономичной системы обращения с твердыми отходами потребления на территории г. Ростова-на-Дону
Анализ технологических особенностей системы обращения с твердыми отходами потребления на городских территориях
При этом под системой обращения с ТОП следует понимать в широком смысле комплекс организационных и технологических мероприятий по сбору, транспортированию, утилизации ТОП и контролю всего процесса, включающий не только применение технических средств реализации перечисленных этапов, но и организацию данных этапов на городской территории. В группе технологических мероприятий отдельно выделяют специальные инженерно-экологические мероприятия [22]. Поэтому комплекс инженерно-экологических мероприятий, включающий предупреждение, минимизацию образования ТОП, их сбор, транспортирование и утилизацию, и направленный на снижение образования всевозможных загрязнений при реализации этапов обращения с ТОП и минимизацию количества ТОП, направляемых на захоронение, можно считать системой снижения негативного воздействия ТОП на состояние ОС.
Разнообразные природно-климатические, физико-географические особенности и ресурсно-экономическая значимость территорий населенных мест России обусловили разработку и использование различных программ и систем обращения с отходами (Комплексное Управление Отходами (КУО) (авторы Черп О.М., Виниченко В.Н. [128]), Европейская система управления отходами [48], Дуальная система обращения с отходами в Германии [1], Концепция «Zero Waste» (автор Робин Мюррей [66]), Концепция управления ТБО в России [61], Принципиальная концепция сбора, удаления и переработки отходов (авторы Шубов Л.Я. Голубин А.К. и др.) [57]), отличающихся друг от друга более подробным рассмотрением определенного аспекта деятельности (либо технологического, либо экономического, либо эколого-экономического), а не всесторонним ее исследованием (с учетом организационно-правовых, социальных и вышеперечисленных аспектов). Это подчеркивает актуальность рассматриваемой проблемы исследований, связанных с научным обоснованием принципов и разработкой методологии системы снижения негативного воздействия ТОП на состояние ОС на основе экологически эффективных и энергетически экономичных способов реализации сбора, транспортирования и утилизации отходов по обеспечению экологической безопасности городских территорий.
Обеспечение экологической безопасности городских территорий неразрывно связано с разработкой системы снижения негативного воздействия ТОП на ОС с помощью различных способов реализации сбора, транспортирования и утилизации отходов [107,32,129,122,120], выбор которых в настоящее время осуществляется на основе, как правило, экономического сравнения альтернативных вариантов и простотой технической реализации. При этом в качестве критериев выбора таких способов в основном используют лишь приведенные экономические затраты на их реализацию.
В условиях экономного использования природных и энергетических ресурсов, а также достаточно высокой их стоимости особое значение приобретает сопряженное решение проблем обеспечения экологической безопасности, энергоэффективности и энергосбережения на основе научно обоснованного методического подхода к выбору и совершенствованию системы обращения с ТОП с целью повышения ее экологической эффективности и энергетической экономичности путем реализации инженерно-экологических мероприятий по сбору, транспортированию и утилизации отходов, что и определяет актуальность темы исследований.
Объектом исследований является система обращения с ТОП, направленная на предотвращение негативного воздействия отходов на ОС и включающая в качестве основных этапов реализации сбор, транспортирование и утилизацию ТОП. Предметом исследований являются закономерности взаимодействия ТОП с ОС в процессе реализации системы обращения с отходами на городских территориях.
Целью работы является повышение степени экологической безопасности системы обращения с ТОП как элемента городского хозяйства на основе разработки методического подхода к определению и оценке экологической эффективности и энергетической экономичности этой системы.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ условий и особенностей негативного воздействия системы обращения с ТОП в целом и отдельных ее элементов на ОС.
2. Выполнить анализ и исследовать основные особенности, преимущества и недостатки используемых для городских территорий методических подходов к обращению с ТОП. Выявить и обосновать наиболее перспективную научную основу дальнейших исследований.
3. Рассмотреть ТОП с позиций теории устойчивости дисперсных систем и провести анализ изменения их устойчивости как дисперсной системы.
4. Разработать физические модели процессов загрязнения и снижения загрязнения ОС ТОП в процессе их «жизненного цикла» с учетом особенностей рассматриваемой городской территории, характеристик источников загрязнения отходами ОС в целом и ее компонентов.
5. Разработать классификационную схему системы снижения негативного воздействия ТОП на ОС с целью упорядочения терминологии и систематизации принципов организации системы обращения с ТОП на городских территориях.
Физическое моделирование процесса снижения загрязнения окружающей среды твердыми отходами потребления
Существенные масштабы образования и накопления отходов ставят перед обществом актуальную проблему их размещения, обезвреживания, переработки [2,7,4,9,11,17]. В связи с этим, весьма важной информацией об отходах, предшествующей поиску решения данной проблемы, должна служить их классификация. Анализ существующих подходов к классификации отходов показывает, что основными классификационными признаками, как правило, являются: - общая характеристика (например, пофракционное и количественное содержание компонентов, климатическую зону образования отходов и пр.); - источник образования (жилые, административные здания, промышленные предприятия, лечебные учреждения и пр.); - возможные направления использования (например, для получения биогаза, биотоплива, вторичных материалов и др.); - основные характеристики (морфологический, химический состав, агрохимические показатели, теплоемкость и др.); - влияние на ОС (токсичность, содержание возбудителей инфекционных заболеваний, взрывопожароопасность и пр.); - характеристики отходов, необходимые для классификации их в качестве вторичных материальных ресурсов (например, содержание определенных видов металлов, пластмасс и пр.); - территориальный признак (средняя, южная, северная климатическая зона на территории России); - состав и физико-химические свойства и др. [49,55,35] Однако основными недостатками данных классификационных подходов являются недостаточно раскрытая взаимосвязь параметров отходов с параметрами ОС и не в полной мере учет условий городской территории, где осуществляется эта взаимосвязь.
По аналогии с методикой оценки загрязнения воздушной среды и выбора способа снижения ее загрязнения [22], когда загрязняющий аэрозоль рассматривается в виде дисперсной системы, автором предложены научно-методические основы исследования процессов загрязнения и снижения загрязнения ОС ТОП, базирующиеся на: - рассмотрении ТОП как дисперсной системы; - рассмотрении устойчивости ТОП как результирующей характеристики их состояния; - дифференциации дисперсных систем в процессах образования, накопления и сбора, транспортирования и утилизации ТОП; - упорядочении понятий и классификационной схемы процесса снижения загрязнения ОС ТОП [18]; - описании последовательных и взаимозависимых этапов обращения с ТОП через вероятность их реализации [27,28].
При этом в соответствии с теорией дисперсных систем, ТОП представляют собой полидисперсную систему, состоящую из нескольких твердых дисперсных фаз (отдельные фракции ТОП) и газообразной дисперсионной среды (воздушные прослойки между фракциями ТОП).
Процессы, определяющие свойства и состояние ТОП, не могут рассматриваться обособленно друг от друга. Общность природы этих процессов подчеркивает тесную взаимосвязь между ними. При этом можно говорить лишь о преобладании влияния того или иного процесса. Это влияние зависит от ряда факторов (свойств дисперсных фаз (дф) и дисперсионной среды (дс) ТОП, характеристик ОС). Чтобы узнать степень влияния различных процессов на состояние ТОП, необходимо рассмотреть параметры, определяющие характер протекания этих процессов, параметры, определяющие свойства дисперсной фазы (дф) и дисперсионной среды (дс).
Таким образом, рассматривая ТОП как дисперсную систему, можно заключить, что структура классификации ТОП может быть построена на основе комплексного последовательного изучения их состояния и упорядоченного рассмотрения параметров, характеризующих свойства дисперсной фазы (дф) и дисперсионной среды (дс). Для этого параметры, определяющие свойства дисперсной фазы и дисперсионной среды, необходимо рассматривать по группам, основным классификационным признаком которых является физическая сущность процессов и явлений, наблюдаемых в ТОП [82].
Анализ процессов, протекающих в ТОП, позволяет выделить следующие основные группы параметров: - геометрические параметры (ГПдф, ГПдс), например, дисперсность частиц; объем каждой дисперсной фазы в ТОП; объем дисперсионной среды, ограничивающий размеры ТОП; эквивалентный диаметр объема ТОП и пр. - физико-химические параметры (ФХПдф, ФХПдс) такие, как плотность, концентрация частиц дисперсной фазы, масса молекул вещества дисперсионной среды и пр.; - оптические параметры (ОПдф, ОПдс), например, показатель преломления светового потока частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды, показатель отражения светового потока частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды, степень черноты и др.; - аэродинамические параметры (АДПдф, АДПдс), например, коэффициент шероховатости поверхности частиц, скорость седиментации, динамическая (кинематическая) вязкость дисперсионной среды, скорость перемещения дисперсионной среды относительно окружающей среды и пр.;
Формирование блока исходных данных с учетом экологических и технологических особенностей сбора и транспортирования твердых отходов потребления
В этих условиях упомянутые особенности терминологии и классификации создали определенные неудобства, появилась необходимость более четкого разграничения основных областей применения устройств, а также выбора наилучших из них для определенных условий городских территорий.
Решение задачи упорядочения терминологии может быть основано на физической модели процесса загрязнения ОС ТОП, которая легла в основу разработанной (приложение Ж) классификационной схемы системы снижения негативного воздействия ТОП на ОС (ССНВТОП).
Классификационная схема ССНВТОП на ОС отображает структуру применяемых методов, способов и технических средств сбора, транспортирования и утилизации отходов [18].
Назначение ССНВТОП заключается в организации процесса снижения загрязнения на каждом этапе организации системы обращения с отходами [27] (сбор, транспортирование, утилизация) в конкретных функциональных элементах ССНВТОП: сбор-1, транспортирование-1, сбор-2, транспортирование-2, сортировка, транспортирование-3, переработка, компостирование, сжигание, захоронение. За организацию каждого этапа реализации отвечает соответствующий функциональный элемент (или элементы) системы. В основе формирования ССНВТОП находится принцип достижения максимальных значений экологической эффективности и энергетической экономичности реализации процесса снижения загрязнения каждым элементом. Основные этапы построения ССНВТОП соответствуют классификационной схеме, согласно которой каждый функциональный элемент может быть реализован различными методами, способами и соответствующими техническими средствами [24,22,21].
В качестве методов, характеризующих физическую сущность организуемого внешнего воздействия, т.е. применения специального инженерно-экологического мероприятия, для борьбы с разными видами загрязняющих компонентов, в частности, ТОП, применяются следующие [51]:
1. Аэродинамический метод - основан на использовании газовых (воздушных) потоков в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью загрязняющих веществ (ТОП);
2. Гидродинамический метод - основан на использовании жидкости в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью загрязняющих веществ (ТОП);
3. Механический метод - основан на использовании (механики) твердых тел в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью загрязняющих веществ (ТОП);
4. Оптический метод - основан на использовании световых потоков в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью загрязняющих веществ (ТОП);
5. Теплофизический метод - основан на использовании теплового поля в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью загрязняющих веществ (ТОП);
6. Электромагнитный метод - основан на использовании электромагнитного поля в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью загрязняющих веществ (ТОП).
В свою очередь, каждый метод может быть реализован различными способами, под которыми следует понимать физическую форму организации внешнего воздействия. Дальнейшая классификация иногда может предполагать рассмотрение в каждом способе технологических видов реализации процесса, характеризуемыми технологическими параметрами организации внешнего воздействия на ТОП. Последним уровнем классификации являются технические средства реализации, представляющие собой конкретные устройства, в которых реализуется какая-либо комбинация «метод-способ-вид-технические средства» [106,22]. Так, например, функциональный этап «утилизация», может быть реализован, например, с помощью функционального элемента – «сжигание», который, в свою очередь, может быть реализован «теплофизическим» методом. Данный метод может быть реализован различными «способами» - пиролизом, газификацией, огневым обезвреживанием, переплавом и обжигом. А каждый «способ», например, пиролиз, может быть реализован соответствующими «видами», например, высоко-, средне- и низкотемпературным.
Разработанная классификационная схема (приложение Ж) позволяет упорядочить терминологию и систематизировать принципы организации ССНВТОП.
Таким образом, классификационная схема может являться основой для формирования методики выбора оптимальной для условий конкретной городской территории технологии обращения с ТОП.
Реализация методики оценки и выбора экологически эффективной и энергетически экономичной системы обращения с твердыми отходами потребления на территории г. Ростова-на-Дону
Г. Ейск расположен на северо-западе Краснодарского края, на полуострове у основания Ейской косы, далеко вдающейся в Азовское море. С востока город омывается Ейским лиманом, с запада - Таганрогским заливом.
В 2008 году произошло объединение г. Ейска и Ейского района, образовалась новая административная единица – Муниципальное Образование Ейский район с административным центром в г. Ейске.
Географические координаты города — 464100 с. ш. 381700 в. д. Климат - умеренно-континентальный, степной, приморский с мягкими зимами и очень теплым летом. Среднегодовая температура +9,8 С. Средняя температура января +4 С, июля +24 С, относительная влажность 60%. Годовое количество часов солнечного сияния - до 2500. В год выпадает около 450 мм осадков [108].
Территория Ейского района составляет 1976,81 кв. км. Протяжённость с северо-запада на юго-восток 83 км и с северо-востока на юго-запад 47 км.
Территория Ейского городского поселения составляет 143,48 кв. км. Численность постоянного населения Ейского городского поселения – 94946 человек, в том числе: городского – 85855 чел., сельского – 9091 чел.
Территория г. Ейска включает 8 районов (рисунок 4.2): Черемушки, Центр, Военный городок, 2 микрорайон (мкр.), 37 мкр., 38 мкр., Кирпичики и Широчанка.
Систему обращения с ТОП во всех районах города осуществляет Муниципальное унитарное предприятие Ейского городского поселения Ейского района "Комбинат коммунально-бытовых услуг" (МУП «ККБУ»), расположенное по адресу: Краснодарский край, Ейский р-н, Ейск г., ул. Мичурина, 2а. Основной вид деятельности предприятия – уборка территории, удаление и обработка твердых отходов.
Контейнерное хозяйство МУП «ККБУ» включает контейнера различных типов и габаритов российского производства: евроконтейнеры вместимостью 1,1 м3 – 182 шт., стандартные контейнеры вместимостью 0,75 м3 – 1779 шт., бункеры вместимостью 5 м3 – 13 шт., 8 м3 – 5 шт. Общее количество находящихся на балансе предприятия емкостей для сбора ТОП – 1979 шт.
Предприятие располагает 337 аттестованными, специализированными автотранспортными средствами для вывоза твердых отходов, собственным авторемонтным цехом и бензозаправочной станцией.
На балансе предприятия находятся мусоровозы с боковой загрузкой, с задней загрузкой, самосвалы, трактор и бункеровоз.
Городская свалка, куда вывозятся ТОП, находится в ведении МУП «ККБУ». Основным объектом внедрения является 2ой микрорайон (Новый жилой массив) (приложение М).
В качестве источников информации при формировании базы данных использованы данные МУП «ККБУ», сведения открытых печатных изданий, интернета и рекламных проспектов.
Анализ информации, содержащейся в сформированном массиве данных, свидетельствует об отсутствии информации по юридическим лицам, поэтому в расчетах количеством ТОП от юридических лиц пренебрегаем.
Согласно проведенным исследованиям для расчета принимаем: - в расчетах в качестве источников образования ТОП рассматриваются только физические лица; - этап обращения с ТОП «сбор» рассматриваем со стадии сбор-2 (внутренние условия не учитываем, т.к. они значительно зависят от субъективных факторов); - на территории города, и 2 микрорайона в частности, применяется смешанный сбор ТОП; - этап обращения с ТОП «транспортирование» рассматриваем только как транспортирование-2 (т.к. «транспортирование-1» аналогично сбору-1 зависит от субъективных факторов, «транспортирование-3» для условий г. Ейска не применяется, т.к. отсутствует МПС); - для условий 2 микрорайона г. Ейска, где большая часть жителей проживает в частном одноэтажном секторе с возможностью подъезда и разворота техники, применим вывоз ТОП (исключая крупногабаритный) с помощью мусоровозов различной модификации.
Практическая реализация методики выбора включала следующие основные этапы: 1. Формирование блока исходных данных. Территория рассматриваемого участка составляет 48 кв. км.
Исходными данными для расчета результирующих параметров процессов сбора и транспортирования ТОП были приняты: - численность населения исследуемой территории составляет примерно 12 100 человек; - удельный объем образующихся ТОП на 1 человека составляет 1,46 м3/год (общий объем образующихся ТОП составил 17 666 м3/год) [Постановление главы Муниципального образования г. Ейска Краснодарского края от 05.12.2005 г. № 1462]; - удельная масса образующихся ТОП на 1 человека составляет 200-250 кг/год (общая удельная масса образующихся ТОП составил 2 420 000 – 3 025 000 кг/год (2 420 - 3 025 т/год) [86,50]; - данные о составе ТОП взяты в расчетах средними по южной климатической зоне (таблица 1.4); - свойства ТОП приняты для рассматриваемой территории по данным анализа гл.2. п.2.1.
