Краткое изложение проекта

Paul M. Lemieux

Отчет содержит результаты научной работы по детальному изучению качественных и количественных характеристик выбросов при открытом сжигании бытовых отходов. В данной работе оценивались два экспериментальных варианта: "эконом" - предметы пригодные для повторного использования в мусор не выбрасываются и "все подряд". Предполагаемые выбросы представлялись в единицах массы выброса к массе сжигаемых отходов. Постоянно отбираемые газообразные пробы анализировались на содержание кислорода (O₂), оксида углерода (CO), диоксида углерода (CO₂), оксида азота (NO), и углеводородов (total hydrocarbons, THC). Газообразные пробы собирались посредством SUMMA^(R)-емкостей и анализировались посредством газовой хроматографии/масс-спектрометрии (gas chromatography/mass spectrometry, GC/MS) на содержание летучих органических соединений (volatile organic compound, VOC). Экстрактивные пробы из комбинации газообразных выбросов и выбросов твердых частиц, анализировались на содержание полулетучих органических соединений (semivolatile organic compound, SVOC), полицикличных ароматических гидрокарбонатов (polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH), полихрорированных бифенилов (polychlorinated biphenyl, PCB), хлорбензолов (chlorbenzene, CB), полихрорированных дибензо-пара-диоксинов и полихлорированных дибензофуранов (polychlorinated dibenzo-p-dioxin / polychlorinated dibenzofuran, PCDD/PCDF), альдегидов и кетонов, хлористого водорода (hydrogen chloride, HCl), цианистого водорода (hydrogen cyanide, HCN) и металлов. Также измерялись выбросы твердых частиц (particulate matter, PM) с диаметрами до 10 мкм (PM₁₀) и до 2,5 мкм (PM_2,5). Пробы золы анализировались на содержание SVOCs, PCBs, PCDD/PCDFs и металлов.

Для большинства соединений не содержащих хлор, включая VOCs, SVOCs, PAHs, альдегиды и кетоны, выброс в варианте "все подряд" был большим, как по отношению к сожженой массе, так и по отношению к дневной норме (используя оценочное количество производимых отходов для штата Нью-Йорк). Однако выброс хлорсодержащих органических соединений, особенно CBs и PCDD/PCDFs, был большим для "эконом" варианта, по отношению к сожженной массе. Также исходя из оценочного количества отходов в день (по домовладениям Нью-Йорка), выброс PCDD/PCDFs в день значительно выше для "эконом" варианта. Выброс PCBs больше для варианта "все подряд", хотя причина этого точно не определена, похоже что этот феномен результат нескольких факторов, включая большую массу поливинилхлорида (polyvinyl chloride, PVC) в отходах "эконом" варианта. Возможно, что некоторые компоненты отходов "все подряд" могут разрушать металлические катализаторы, предположительно способные увеличивать образование PCDD/PCDFs. Результаты проб HCl показывают, что его выброс значительно больше в "эконом" варианте, что согласуется с большим выбросом хлорсодержащих органических веществ, и анализом золы, показывающим большее содержание меди для "эконом" варианта, что ведет к большему выбросу PCDD/PCDFs.

Температура в нижней части зоны горения значительно ниже для "эконом" варианта, чем для "все подряд". Выброс металлов в парообразной форме не исследовался. Выброс твердых частиц больше для варианта "все подряд". Почти все твердые частицы в обоих вариантах были диаметром <2,5 мкм.

Данное краткое изложение было создано в подразделении предотвращения и контроля за загрязнением воздушной среды, национальной лаборатории исследований управления рисками (National risk management research laboratory, Air pollution prevention and control division APPCD), для анонсирования ключевых положений исследовательского проекта, который полностью документирован в отдельном отчете с тем же названием.

Введение.

Во многих местах страны практика утилизации твердых бытовых отходов заключается в их открытом сжигании, вместо или в дополнение к муниципальным свалкам или мусоросжигательным печам. Мотивы домовладельцев при открытом сжигании мусора могут быть следующие: удобство, привычка, нежелание платить за свалку. Местами существуют законы запрещающие сжигание мусора. Выбросы при сжигании твердых бытовых отходов в кострах распространяются возле поверхности земли и не успевают достаточно рассеиваться. Вдобавок, низкая температура сжигания и недостаток кислорода в условиях обыкновенного костра приводят к неполному сгоранию, что увеливает выброс загрязняющих веществ. В противоположность этому современные мусоросжигательные печи имеют многоступенчатую конструкцию и специальные сжигательные камеры. Это позволяет добиться высоких температур, более длительного времени горения и лучшего смешивания отходов с подаваемым воздухом.

Государственные департаменты здоровья Нью-Йорка (New York State Department of Health, NYSDOH) и защиты окружающей среды (Environmental Conservation, NYSDEC), также регуляторные агентства других штатов, сделали запрос в центр технологического контроля (Control Technolodgy Center, CTC) EPA касательно выбросов при открытом сжигании бытовых отходов, ставилось условием, использование методик снимающих ограничения предыдуших исследований. CTC, NYSDOH и NYSDEC выполнили совместно следующие исследования: 1) охарактеризование и создани набора отходов, которые предстоит сжигать (в двух вариантах); 2) измерение выбросов различных загрязняющих веществ; 3) измерение концентрации этих веществ в золе (исключая VOCs); 4) измерение объема воздуха поступающего в печь; 5) определение условий горения типичных для костра (бытовой печи). Исследования проводились под управлением APPCD. Эксперименты по сжиганию проводились подрядчиками APPCD, Acurex Environmental Corporation под контролем представителей APPCD и NYSDOH. Работа по химическим анализам была поделена между персоналом Acurex и NYSDOH.

Методика.

Исследованием качественно определены и количественно измерены выбросы опасных загрязнителей воздуха при открытом сжигании бытовых отходов. Также были оценены концентрации опасных компонентов в золе. Целевой аудиторией данной работы являются научное сообщество вцелом, также государство и локальные регуляторные агентства. Полученные данные позволяют составить правильное представление о соотношении выбросов в результате данных процессов и выбросов из других источников. Предоставлены оценки величин выбросов, которые могут служить для оценки рисков, возникающих при открытом сжигании отходов. Эта работа также позволяет оценить необходимость дальнейшего изучения этой практики. Следует отметить, что большинство оценок рисков используемых сегодня включают источники неопределенности настолько большие, что реальный риск может быть определен в очень приближенных границах. В данном исследовании качество данных обеспечивалось следующим образом.

Анализировались выбросы от двух категорий отходов (Таблица 1): "эконом" и "все подряд", для четырех семей в каждой категории. Чтобы уменьшить значение различий в материалах собранных для тестов, процентное содержание похожих материалов складывалось (например, процентное содержание газет, книг и офисной бумаги учитывалось одной цифрой), процентное содержание прочих веществ для каждой категории добавлялось к позиции, имеющей наибольшее процентное содержание в данной категории. Опасные бытовые отходы (например бытовые химикаты, краски, масла, покрышки и прочие автоматериалы) не включались в отходы подлежащие сжиганию. Для "эконом" и "все подряд" вариантов было сожжено, в специально разработанном EPA устройстве для эмуляции открытого сжигания, 6.4 - 13.6 кг (14 - 30 lb) отходов, опыт повторен дважды. Целевыми загрязняющими веществами в этой работе были VOCs, HCl, HCN, PM_2.5, PM₁₀, альдегиды, твердые и газообразные SVOCs (в том числе PAHs, PCBs и PCDD/PCDFs), твердые частицы металлов и пары ртути. Дополнительно содержание SVOCs (в том числе PAHs, PCBs и PCDD/PCDFs) и металлов было измерено в золе. Для O₂, CO, CO₂, THCs и NO использовались постоянные мониторы выбросов (continuous emission monitor, CEM). Для получения коэффициентов выбросов, измеренные концентрации соотносились с объемами воздуха с которыми они смешивались и измеренными чистыми массами сожженных отходов. Данные по коэффицентам выбросов и результаты проб золы предназначены для использования в оценках потенциального воздействия загрязняющих выбросов в результате сжигания бытовых отходов.

Результаты.

Для большинства не содержащих хлора соединений, включая VOCs, SVOCs, PAHs, альдегиды и кетоны, выбросы при варианте "все подряд" были больше, как при расчете по сожженной массе, так и при расчете по количеству мусора в день (используя статистические данные по производству мусора предоставленные NYSDOH). Однако выброс хлорсодержащей органики (при расчете по сожженной массе), частично хлорбензолов и PCDD/PCDFs, был выше для "эконом" варианта. Выброс PCBs был больше для варианта "все подряд", хотя причина этого феномена не известна. При расчете по количеству мусора в день, выброс PCDD/PCDFs значительно больше для "эконом" варианта. Этот феномен, похоже, результат нескольких факторов, включая большую массу PVCs в "эконом" варианте отходов. Также возможно, что некоторые компоненты в варианте отходов "все подряд" могут разрушать металлические катализаторы ответственные за увеличение формирования PCDD/PCDFs. Результаты по HCl показывают его больший выброс в "эконом" варианте, что находится в соответствии с большим выделением хлорсодержащей органики; анализ золы показал, что в "эконом" варианте более высокое содержание меди, которое может способствовать повышенному выбросу PCDD/PCDFs. Температура в нижней части зоны горения значительно ниже для варианта "эконом". Выброс металлов в парообразной форме не исследовался. Выброс твердых частиц больше для варианта "все подряд". Почти весь выброс твердых частиц для обоих вариантов был в пределах 2.5 мкм и менее.

Приведенные данные полезны для сравнения выбросов при открытом сжигании бытовых отходов и выбросов городской мусоросжигательной печи (municipal waste combuster, MWC) работающей в требуемом режиме сжигания и использующей технологию очистки отводимых газов. На основании данных полевых испытаний MWC и усредненных норм PT-08, PT-09, PT-11 описанных в детальных полевых испытаниях опубликованных в 1994 году, используя образцы взятые из устройства контроля загрязнений была создана Таблица 2. Концетрации целевых VOCs были суммированы для получения общего выброса VOC (концентрации ниже установленной границы принимались равными нулю). Аналогично обрабатывались данные по PAHs, CBs, PCDD/PCDFs и PCBs. На Диаграмме 1 эти результаты представлены графически.

Диаграмма 1. Сравнение открытого сжигания и сжигания в MWC

Легко заметить, что даже значительные различия между вариантами "эконом" и "все подряд" вариантов, незаметны, в сравнении, с различиями между открытым и контроллируемым сжиганием мусора в MWC. Выбросы при открытом сжигании по некоторым позициям на несколько порядков больше.

Для дополнительного сравнения открытого сжигания и сжигания в MWC была создана Таблица 3, путем подсчета общего количества веществ загрязняющих воздух образующихся в день, используя оценки выбросов из Таблицы 2, коэффициенты производства отходов из Таблицы 1 и сравнении этих величин с гипотетическими выбросами MWC при сжигании 182000 кг/день (200 тонн/день). (Примечание: MWC такого размера перерабатывает бытовые отходы от 37000 "все подряд" и 121000 "эконом" домохозяйств). Разделив оценку дневных выбросов MWC на оценку дневных выбросов при открытом сжигании, можно оценить сколько домовладений использующих открытое сжигание дадут загрязнение, такое же, как современная MWC. Это количество удивительно мало. По некоторым загрязняющим веществам, таким как VOCs и CBs одно домохозяйство может дать их больше чем целая MWC.

Таблица 4 иллюстрирует какой тестовый вариант дал большие выбросы. Первые две колонки основаны на отношении массы выбросов к сожженой массе, вторые две - на отношении массы выбросов к дневному производству мусора, используя оценки NYSDOH из Таблицы 1. Для золы, при расчете на одного человека использовались оценки NYSDOH и реальная масса оставшаяся после сжигания.

В Таблице 5 суммированы все тестовые данные, показывающие средние результаты по загрязняющим веществам которые были измерены, также даны отношения между вариантами "эконом" и "все подряд".

Выброс при открытом сжигании твердых бытовых отходов происходит возле поверхности земли и следовательно меньше рассеивается. Это может потенциально усугубить вред, даже без учета большего количества выбросов как таковых. Большое количество выбросов, вместе с концентрацией этих выбросов в непосредственной близости, всвязи с плохой дисперсией, ведут к увеличению прямого ингаляционного воздействия.

Следующий вывод - данный источник может быть достаточно значимым в общих выбросах PCDD/PCDFs. В 1994 EPA попыталась составить баланс выбросов диоксинов для США, при этом было выявлено значительное расхождение между текущим положением дел и оценочными выбросам, оценочные выбросы оказались значительно меньше. EPA допускала, что это указывает на неизвестный источник выброса диоксинов. Выброс диоксинов при открытом сжигании отходов может быть недостающим звеном для объяснения существующего расхождения.