Накопление в атмосфере парниковых газов антропогенного происхождения и вызванные ростом их концентрации изменения климата представляют собой острую современную проблему, которой озабоченно мировое сообщество.
Основными парниковыми газами (ПГ) являются водяной пар, углекислый газ (CO2), метан (CH4), оксид азота (N2O) и тропосферный озон (О3). Причем метан и оксид азота, несмотря на меньшую, по сравнению с углекислым газом, концентрацию в атмосфере, имеют более высокий парниковый потенциал. По разным оценкам, вклад метана в парниковый эффект в 21-34 раза выше, чем от углекислого газа, а закиси азота – в 210-298 раз. Одним из основных антропогенных источников этих газов является сельское хозяйство, а также ощутимый вклад вносят пищевые отходы.
Органические отходы при попадании на свалки в составе смешанного мусора подвергаются процессам анаэробного гниения, что приводит к высоким выбросам ПГ в виде метана. Свалки занимают третье место по антропогенным выбросам метана.
Правильное обращение с органическими отходами необходимо не только для сокращения выбросов и негативных последствий от них, но и для оптимизации ресурсов. Компостирование является одним из рабочих способов достижения этих целей. Однако вклад в сокращение эмиссии ПГ различается в зависимости от методов компостирования и состава вводимого субстрата.
Под компостированием понимают спектр мероприятий от традиционного холодного компостирования до разных видов с применением механических систем. В первом варианте, когда все органические отходы собираются в кучи, где они постепенно перегнивают, на поверхности идет процесс аэробного разложения, но внутри – анаэробного.
Основными парниковыми газами (ПГ) являются водяной пар, углекислый газ (CO2), метан (CH4), оксид азота (N2O) и тропосферный озон (О3). Причем метан и оксид азота, несмотря на меньшую, по сравнению с углекислым газом, концентрацию в атмосфере, имеют более высокий парниковый потенциал. По разным оценкам, вклад метана в парниковый эффект в 21-34 раза выше, чем от углекислого газа, а закиси азота – в 210-298 раз. Одним из основных антропогенных источников этих газов является сельское хозяйство, а также ощутимый вклад вносят пищевые отходы.
Органические отходы при попадании на свалки в составе смешанного мусора подвергаются процессам анаэробного гниения, что приводит к высоким выбросам ПГ в виде метана. Свалки занимают третье место по антропогенным выбросам метана.
Правильное обращение с органическими отходами необходимо не только для сокращения выбросов и негативных последствий от них, но и для оптимизации ресурсов. Компостирование является одним из рабочих способов достижения этих целей. Однако вклад в сокращение эмиссии ПГ различается в зависимости от методов компостирования и состава вводимого субстрата.
Под компостированием понимают спектр мероприятий от традиционного холодного компостирования до разных видов с применением механических систем. В первом варианте, когда все органические отходы собираются в кучи, где они постепенно перегнивают, на поверхности идет процесс аэробного разложения, но внутри – анаэробного.
Схема образования разных газов в неаэрируемой открытой компостной куче
Этот метод по выбросу ПГ близок к тому, что происходит с органическими отходами на свалке. И если рассматривать традиционное компостирование именно в качестве способа сокращения эмиссии ПГ, то он малоэффективен. Однако во всех остальных отношениях он определенно предпочтительнее, чем помещать органику в смешанные отходы и отправлять на свалки, поскольку даже при таком компостировании из отходов возможно получить органические удобрения, снизив использование химических удобрений и опосредованно выброс ПГ, и таким образом вернуть ресурсы, не увеличивая свалок.
Компостирование – это процесс, при котором микроорганизмы в присутствии кислорода разлагают органическую материю до более простых и устойчивых веществ. Микроорганизмы производят углекислый газ, воду и тепло как побочный продукт дыхания. Это приводит к уменьшению объема исходного сырья и формированию компоста – гумусоподобного питательного для растений субстрата. Эффективность компостирования зависит от ряда физико-химических характеристик сырья (размер частиц, соотношение C/N, pH, увлажненность) и создаваемых условий (кислород и температура).
Такой вид компостирования называют аэробным, то есть с присутствием кислорода. Здесь может использоваться ротация, специальные веялки и системы активной аэрации. В противоположность аэробному существует анаэробное компостирование, чаще встречающееся под названием анаэробного сбраживания (АС). В данном случае работают другие микроорганизмы - анаэробные. В результате их жизнедеятельности выделяется побочный продукт - метан, который можно собирать в виде биогаза. Важно понимать, что компостирование – это способ возврата химических элементов, необходимых растениям, назад в почву.
В случае компостирования, наибольший вклад в общую эмиссию ПГ вносят CH4 и N2O, поэтому большинство исследователей сосредотачивается именно на них. Тогда как CO2 биогенного происхождения не включается в расчет углеродного следа, поскольку является частью естественного углеродного цикла и используется растениями. Помимо ПГ также стоит обратить внимание на выброс вредных для здоровья газов, таких как NH3 и других летучих органических веществ (volatile organic compounds, далее - VOC).
Рассмотрим влияние компостирования на выброс ПГ на основе исследований ученых разных стран для трех основных групп отходов: отходы сельского хозяйства, городские органические отходы и осадок сточных вод.
Городские органические отходы
По данным Европейской Комиссии каждый год по всему миру около 1,3 млрд тонн еды отправляется в отходы тем или иным способом. Из них 42% пищевых отходов производится в домашнем хозяйстве (в быту), а оставшиеся 58% приходится на пищевую промышленность, дистрибуцию и розничную торговлю. Углеродный след таких потерь составляет примерно 3,6 гигатонн (Гт). В отношении глобального потепления, вклад пищевых отходов практически столь же велик как от мировых выбросов автомобильного транспорта.
В развитых странах последние годы идет активное внедрение компостирования в качестве способа обращения с органическими отходами. Однако даже там этот процесс пока не реализован на достаточном уровне. Например, в США, по данным на 2023 год, около 6–9% от общего объема твердых бытовых отходов (ТБО) компостируется, хотя это могло бы быть 34%, если бы все пищевые и садовые отходы отправлялись на компостирование.
В странах же с низким и средним достатком проблема отходов стоит особенно остро, часто уровень раздельного сбора отходов там ниже 50%. Причем органические отходы составляют в районе 50-70% от всего городского мусора. Зачастую в таких странах нет финансовой возможности построить крупные предприятия по компостированию, как в развитых странах. Однако локальные небольшие проекты менее затратны и потому легче осуществимы. Даже на уровне небольших проектов компостирование может привести к снижению выбросов ПГ. Тем не менее, конкретные результаты зависят от состава отходов и технологии компостирования.
В ряде исследований, проведенных в Субсахарской Африке, было показано, как с помощью локальных проектов обращения с органическими отходами можно достичь снижения выброса ПГ. В 2017 в Тиасале (республика Кот-Д’Ивуар) был проведен эксперимент по компостированию городских органических отходов. В данном проекте учитывался только выброс метана и оксида азота. Применялось открытое компостирование с перемешиванием. Эксперимент показал, что при компостировании удалось снизить выброс ПГ на 87% от базовых выбросов на открытых свалках.
В столице Вьетнама было подсчитано, что при использовании компостирования вместо захоронения возможно получить значительный объем органического удобрения – от 6424 до 218650 т в год, в зависимости от примененного сценария обращения с отходами. Это сократит объем отходов, отправляемых на свалки, и продлит срок их использования от 0,5 до 8,7 лет, в зависимости от сценария. Существующий сценарий приводит к высокому выбросу ПГ – около 1 322 928 т CO2-экв. в год, тогда как при идеальном сценарии, когда все органические отходы собираются и компостируются, этот показатель может быть сокращен до 25 822 т CO2-экв. в год.
Аналогично для столицы Лаоса было показано, что с помощью внедрения раздельного сбора, переработки и компостирования органики вместо отправления всех отходов на свалки можно сократить выброс ПГ на 47%.
В США в лабораторных условиях проводили исследования по анализу выбросов ПГ при разных типах компостирования. Ученые показали, что при аэробном компостировании аэрация только посредством простого переворачивания компостной кучи дает примерно в 1,5 раза выше выделение метана, чем с использованием принудительной аэрации (forced aeration). Под принудительной аэрацией понимается проведение через субстрат контролируемого потока воздуха, который создается с помощью механического вентилятора или воздуходувки. В отличие от пассивной аэрации, создаваемый воздушный поток эффективнее доставляет кислород и контролирует нагрев, удаляет воду и углекислый газ.
При изучении влияния скорости воздушного потока при активно аэрируемом компостировании было показано, что менее мощный обдув (1.5–3.0 м3 / м2 ч) лучше подходит при компостировании в прохладных условиях, а более мощный (4.5–6.0 м3 / м2 ч) - в жарких и влажных.
В хорошо аэрируемом компосте наибольший вклад в ПГ (без учета био-CO2, и в пересчете на CO2-экв.) дает оксид азота. Его объем варьируется в зависимости от состава сырья – от 45% до 91%. Рост выделения NH3 и N2O говорит о насыщенном белком отходе, поскольку аммиак является результатом разложения белков. Выброс N2O, а также NH3 наиболее высок из навоза, а ниже всего - из садовых отходов. Пищевые отходы занимают промежуточное положение. Для садовых отходов среди ПГ превалирует CH4 (около 80%).
Одним из способов снижения эмиссии нежелательных газов, помимо сокращения выделения газов как таковых, является использование методов закрытого компостирования, когда все газы улавливаются и проходят через фильтры с абсорбирующими агентами. Для удержания CO2 и NH3 используют в том числе солому и опилки. Однако исследования эффективности биофильтров, как правило, фокусируются на оценке поглощения вредных для здоровья человека газов – аммиака и сероводорода и реже для ПГ.
Так, было показано, что эффективность биофильтров по удержанию аммиака часто сопровождается образованием в них закиси азота. Отмечено, что около 26% поглощенного азота в виде NH3 может переходить в форму N2O. Объем выброса N2O при использовании биофильтров зависит от ряда факторов: концентрации NH3, температуры, pH и влажности. Выброс N2O напрямую связан с концентрацией NH3 в биофильтре.
Также для оценки эффективности биофильтров проводились сравнения фильтров с разными наполнителями. Например, при сравнении трех типов наполнителей (опилки; смесь лавового камня и торфа 1:1; только торф) наиболее эффективным фильтром в этих исследованиях показала себя смесь торфа и лавового камня – снижение запахов на 96%, общих VOC – на 95% и H2S – на 77%. Наименьшую эффективность показал фильтр из опилок: 90%, 88% и 62% соответственно.
Отдельно проводились исследования по оценке эффективности домашнего компостирования по сравнению с централизованным. Австралийские исследователи сравнивали несколько стратегий обращения с городскими органическими отходами. По их результатам, наиболее оптимальным как в экологическом, так и в экономическом смысле сценарием по обращению с бытовыми органическими отходами является домашнее компостирование, но с общим компостером на несколько домов, а худшим – обычная отправка на свалки. При домашнем компостировании сокращаются расходы на транспортировку отходов и компоста, а значит, сокращаются расходы на ископаемое топливо. Но так же лучшие результаты давал общий, а не индивидуальный компостер для каждой семьи. Для обоих направлений – централизованное и домашнее компостирование – главным проблемным фактором отмечено энергопотребление, что по подсчетам исследователей было ответственно более чем за 45% выбросов ПГ.
В другом австралийском исследовании по сравнению трех видов домашнего компостирования было показано, что аэробное компостирование давало меньше метана (2,2 мг на м2 за час), чем анаэробное брожение (здесь биогаз не собирали) (9,5 мг на м2 за час) и вермикомпостеры (4,8 мг на м2 за час). Вермикомпостер давали ниже выброс N2O (1,2 мг на м2 за час), чем другие (1,5—1,6 мг на м2 за час). В другом исследовании показано, что использование земляных червей снижает выброс аммиака (на 33,5%), а также метана и оксида азота, но повышает выброс углекислого газа.
Осадок сточных вод
Осадки сточных вод (ОСВ) содержат органику, поэтому также являются источником ПГ. Показано, что если в чистом виде отправлять ОСВ на поля, это вызывает существенную эмиссию ПГ и вредных не-ПГ. Для снижения выбросов рассматривается применение различных добавок перед компостированием, в частности биочара и цеолита. Например, было показано, что добавление смеси 12% биочар + цеолит оказывает положительный эффект на компостирование обезвоженного ОСВ и может существенно снизить выброс аммиака на 58,03–65,17%, метана на 92,85–95,34% и оксида азота на 95,14–97,28%, по сравнению с контрольным образцом (1% биочар + известь).
В другом исследовании показали, что высокие дозы биочара (12%) в качестве добавки при компостировании ОСВ существенно снижают выброс CH4, N2O и NH3 на 92,85–95,34%, 95,14–97,30% и 58,03–65,17% соответственно, но не CO2. Также по результатам гумификации здесь выходило, что содержание гуминовых кислот и фульвокислот на 35–42% и 24–28% выше при использовании высоких доз биочара соответственно по сравнению с низкими и контрольной группой.
Китайские исследователи показали, что при компостировании ОСВ вместо захоронения на свалках и при использовании полученного компоста на полях взамен искусственным удобрениям снижение эмиссии, по сравнению с базовым сценарием, составляет – 0,6204 т CO2-экв на тонну ОСВ.
Сельское хозяйство
В результате мировой сельскохозяйственной деятельности выбросы ПГ в 2019 году составили 10,7 млрд т СО2-экв, это около 20% от общего объема глобальных выбросов. Если наряду с прямыми учесть косвенные выбросы, связанные с использованием минеральных удобрений и пестицидов, транспортировкой сельскохозяйственного сырья и продовольствия, а также изменением землепользования (в частности, обезлесение), то доля достигает почти 30%. В России выбросы ПГ от сельского хозяйства в 2019 году составили 114,2 млн т СО2-эквивалента.
По некоторым оценкам на сельское хозяйство приходится около 81% от антропогенного выброса N2O и 70% – CH4. Основной вклад в эмиссию метана вносят желудочная ферментация скота (21% от всего антропогенного выброса) и обращение с навозом (8%), а также рисовые поля и сжигание отходов в сельском хозяйстве.
Основными причинами выбросов оксида азота в сельском хозяйстве являются внесение и производство азотных удобрений, а также различные практики обращения с навозом. Как показывает ряд исследований, существенное выделение метана происходит при хранении навоза, причем его образуется меньше при хранении твердого навоза, чем жидкого. Тогда как оксид азота выделяется как при хранении, так и при использовании навоза как удобрения. При не использовании навоза или неправильной подготовке к использованию идет выброс не только ПГ, но и аммиака, который не является парниковым, однако опасен для здоровья человека, а потеря азота в форме аммиака снижает ценность навоза как удобрения. При хранении жидкого навоза в открытых хранилищах потери азота в виде аммиака достигают 15% от содержания аммиачного азота.
Для сокращения углеродного следа от сельского хозяйства предлагаются различные методы, в частности, прямая переработка навоза взамен длительного хранения его большого объема в резервуарах, эффективное компостирование, утилизация остатков. Таким образом, применение органических удобрений, полученных при компостировании, исключает выбросы парниковых газов, возникающих при производстве и внесении синтетических удобрений.
Канадские исследования показали, что общий выброс ПГ при использовании компостирования навоза на свинофермах составил 24% от оценки для традиционного обращения с жидким навозом. Также было отмечено, что выброс существенно зависит от методов компостирования: эмиссия была выше для открытых систем (outdoor windrow composting systems), чем для контролируемых аэрируемых (controlled aerated systems).
В ряде исследований было показано, что разделение компоста на жидкую и твердую фракции существенно снижало общий выброс ПГ по сравнению с хранением жидкого навоза. Так, на свиноферме в США был поставлен эксперимент с заменой традиционного способа хранения в открытых резервуарах на комплекс мероприятий, в том числе с разделением на фракции, использованием добавок и аэробного компостирования, что привело к сокращению выброса ПГ на 96,9%: от 4972 т CO2-экв. к 153 т CO2-экв./год.
На примере утиных экскрементов была показана эффективность сочетания техник предварительного компостирования, а затем вермикомпостирования с добавлением тростниковой соломы и цеолита, что существенно снижало выбросы аммиака, оксида азота и метана. В другом исследовании было показано, что биочар в качестве добавки к компосту улучшает процесс разложения и адсорбирует аммиак (снижение выброса на 64% для птичьего навоза).
В сельском хозяйстве также активное применение находят скрубберы для очистки воздуха и биофильтры. Они применяются в животноводстве, в том числе для снижения пылевой взвеси в воздухе. Но необходимо учитывать, что в таких фильтрах могут поселяться микроорганизмы и также производить нежелательные газы.
Выводы
Компостирование является эффективным способом снижения эмиссии ПГ для всех видов отходов. Но степень эффективности зависит от выбранной технологии и условий компостирования, которые необходимо выбирать в соответствии с составом компостируемого субстрата. На основании приведённых исследований наименее эффективной является технология традиционного компостирования, наиболее эффективной - закрытое компостирование с использованием системы аэрации, ворошения и очисткой выбросов с помощью биофильтров или скрубберов. Весомое сокращение эмиссии ПГ можно достигнуть при компостировании отходов сельского хозяйства, исключения хранения навоза и внедрения сепарации жидкого навоза. При компостировании осадка сточных вод внесение определенных добавок значительно снижает выбросы ПГ. Для городских органических отходов, с учётом косвенных выбросов ПГ, эффективнее использование общественных компостеров на несколько домов, чем использование индивидуальных компостеров или вывоз на компостные площадки.
Автор: Первакова Вера Николаевна, руководитель проекта CompostPro
Компостирование – это процесс, при котором микроорганизмы в присутствии кислорода разлагают органическую материю до более простых и устойчивых веществ. Микроорганизмы производят углекислый газ, воду и тепло как побочный продукт дыхания. Это приводит к уменьшению объема исходного сырья и формированию компоста – гумусоподобного питательного для растений субстрата. Эффективность компостирования зависит от ряда физико-химических характеристик сырья (размер частиц, соотношение C/N, pH, увлажненность) и создаваемых условий (кислород и температура).
Такой вид компостирования называют аэробным, то есть с присутствием кислорода. Здесь может использоваться ротация, специальные веялки и системы активной аэрации. В противоположность аэробному существует анаэробное компостирование, чаще встречающееся под названием анаэробного сбраживания (АС). В данном случае работают другие микроорганизмы - анаэробные. В результате их жизнедеятельности выделяется побочный продукт - метан, который можно собирать в виде биогаза. Важно понимать, что компостирование – это способ возврата химических элементов, необходимых растениям, назад в почву.
В случае компостирования, наибольший вклад в общую эмиссию ПГ вносят CH4 и N2O, поэтому большинство исследователей сосредотачивается именно на них. Тогда как CO2 биогенного происхождения не включается в расчет углеродного следа, поскольку является частью естественного углеродного цикла и используется растениями. Помимо ПГ также стоит обратить внимание на выброс вредных для здоровья газов, таких как NH3 и других летучих органических веществ (volatile organic compounds, далее - VOC).
Рассмотрим влияние компостирования на выброс ПГ на основе исследований ученых разных стран для трех основных групп отходов: отходы сельского хозяйства, городские органические отходы и осадок сточных вод.
Городские органические отходы
По данным Европейской Комиссии каждый год по всему миру около 1,3 млрд тонн еды отправляется в отходы тем или иным способом. Из них 42% пищевых отходов производится в домашнем хозяйстве (в быту), а оставшиеся 58% приходится на пищевую промышленность, дистрибуцию и розничную торговлю. Углеродный след таких потерь составляет примерно 3,6 гигатонн (Гт). В отношении глобального потепления, вклад пищевых отходов практически столь же велик как от мировых выбросов автомобильного транспорта.
В развитых странах последние годы идет активное внедрение компостирования в качестве способа обращения с органическими отходами. Однако даже там этот процесс пока не реализован на достаточном уровне. Например, в США, по данным на 2023 год, около 6–9% от общего объема твердых бытовых отходов (ТБО) компостируется, хотя это могло бы быть 34%, если бы все пищевые и садовые отходы отправлялись на компостирование.
В странах же с низким и средним достатком проблема отходов стоит особенно остро, часто уровень раздельного сбора отходов там ниже 50%. Причем органические отходы составляют в районе 50-70% от всего городского мусора. Зачастую в таких странах нет финансовой возможности построить крупные предприятия по компостированию, как в развитых странах. Однако локальные небольшие проекты менее затратны и потому легче осуществимы. Даже на уровне небольших проектов компостирование может привести к снижению выбросов ПГ. Тем не менее, конкретные результаты зависят от состава отходов и технологии компостирования.
В ряде исследований, проведенных в Субсахарской Африке, было показано, как с помощью локальных проектов обращения с органическими отходами можно достичь снижения выброса ПГ. В 2017 в Тиасале (республика Кот-Д’Ивуар) был проведен эксперимент по компостированию городских органических отходов. В данном проекте учитывался только выброс метана и оксида азота. Применялось открытое компостирование с перемешиванием. Эксперимент показал, что при компостировании удалось снизить выброс ПГ на 87% от базовых выбросов на открытых свалках.
В столице Вьетнама было подсчитано, что при использовании компостирования вместо захоронения возможно получить значительный объем органического удобрения – от 6424 до 218650 т в год, в зависимости от примененного сценария обращения с отходами. Это сократит объем отходов, отправляемых на свалки, и продлит срок их использования от 0,5 до 8,7 лет, в зависимости от сценария. Существующий сценарий приводит к высокому выбросу ПГ – около 1 322 928 т CO2-экв. в год, тогда как при идеальном сценарии, когда все органические отходы собираются и компостируются, этот показатель может быть сокращен до 25 822 т CO2-экв. в год.
Аналогично для столицы Лаоса было показано, что с помощью внедрения раздельного сбора, переработки и компостирования органики вместо отправления всех отходов на свалки можно сократить выброс ПГ на 47%.
В США в лабораторных условиях проводили исследования по анализу выбросов ПГ при разных типах компостирования. Ученые показали, что при аэробном компостировании аэрация только посредством простого переворачивания компостной кучи дает примерно в 1,5 раза выше выделение метана, чем с использованием принудительной аэрации (forced aeration). Под принудительной аэрацией понимается проведение через субстрат контролируемого потока воздуха, который создается с помощью механического вентилятора или воздуходувки. В отличие от пассивной аэрации, создаваемый воздушный поток эффективнее доставляет кислород и контролирует нагрев, удаляет воду и углекислый газ.
При изучении влияния скорости воздушного потока при активно аэрируемом компостировании было показано, что менее мощный обдув (1.5–3.0 м3 / м2 ч) лучше подходит при компостировании в прохладных условиях, а более мощный (4.5–6.0 м3 / м2 ч) - в жарких и влажных.
В хорошо аэрируемом компосте наибольший вклад в ПГ (без учета био-CO2, и в пересчете на CO2-экв.) дает оксид азота. Его объем варьируется в зависимости от состава сырья – от 45% до 91%. Рост выделения NH3 и N2O говорит о насыщенном белком отходе, поскольку аммиак является результатом разложения белков. Выброс N2O, а также NH3 наиболее высок из навоза, а ниже всего - из садовых отходов. Пищевые отходы занимают промежуточное положение. Для садовых отходов среди ПГ превалирует CH4 (около 80%).
Одним из способов снижения эмиссии нежелательных газов, помимо сокращения выделения газов как таковых, является использование методов закрытого компостирования, когда все газы улавливаются и проходят через фильтры с абсорбирующими агентами. Для удержания CO2 и NH3 используют в том числе солому и опилки. Однако исследования эффективности биофильтров, как правило, фокусируются на оценке поглощения вредных для здоровья человека газов – аммиака и сероводорода и реже для ПГ.
Так, было показано, что эффективность биофильтров по удержанию аммиака часто сопровождается образованием в них закиси азота. Отмечено, что около 26% поглощенного азота в виде NH3 может переходить в форму N2O. Объем выброса N2O при использовании биофильтров зависит от ряда факторов: концентрации NH3, температуры, pH и влажности. Выброс N2O напрямую связан с концентрацией NH3 в биофильтре.
Также для оценки эффективности биофильтров проводились сравнения фильтров с разными наполнителями. Например, при сравнении трех типов наполнителей (опилки; смесь лавового камня и торфа 1:1; только торф) наиболее эффективным фильтром в этих исследованиях показала себя смесь торфа и лавового камня – снижение запахов на 96%, общих VOC – на 95% и H2S – на 77%. Наименьшую эффективность показал фильтр из опилок: 90%, 88% и 62% соответственно.
Отдельно проводились исследования по оценке эффективности домашнего компостирования по сравнению с централизованным. Австралийские исследователи сравнивали несколько стратегий обращения с городскими органическими отходами. По их результатам, наиболее оптимальным как в экологическом, так и в экономическом смысле сценарием по обращению с бытовыми органическими отходами является домашнее компостирование, но с общим компостером на несколько домов, а худшим – обычная отправка на свалки. При домашнем компостировании сокращаются расходы на транспортировку отходов и компоста, а значит, сокращаются расходы на ископаемое топливо. Но так же лучшие результаты давал общий, а не индивидуальный компостер для каждой семьи. Для обоих направлений – централизованное и домашнее компостирование – главным проблемным фактором отмечено энергопотребление, что по подсчетам исследователей было ответственно более чем за 45% выбросов ПГ.
В другом австралийском исследовании по сравнению трех видов домашнего компостирования было показано, что аэробное компостирование давало меньше метана (2,2 мг на м2 за час), чем анаэробное брожение (здесь биогаз не собирали) (9,5 мг на м2 за час) и вермикомпостеры (4,8 мг на м2 за час). Вермикомпостер давали ниже выброс N2O (1,2 мг на м2 за час), чем другие (1,5—1,6 мг на м2 за час). В другом исследовании показано, что использование земляных червей снижает выброс аммиака (на 33,5%), а также метана и оксида азота, но повышает выброс углекислого газа.
Осадок сточных вод
Осадки сточных вод (ОСВ) содержат органику, поэтому также являются источником ПГ. Показано, что если в чистом виде отправлять ОСВ на поля, это вызывает существенную эмиссию ПГ и вредных не-ПГ. Для снижения выбросов рассматривается применение различных добавок перед компостированием, в частности биочара и цеолита. Например, было показано, что добавление смеси 12% биочар + цеолит оказывает положительный эффект на компостирование обезвоженного ОСВ и может существенно снизить выброс аммиака на 58,03–65,17%, метана на 92,85–95,34% и оксида азота на 95,14–97,28%, по сравнению с контрольным образцом (1% биочар + известь).
В другом исследовании показали, что высокие дозы биочара (12%) в качестве добавки при компостировании ОСВ существенно снижают выброс CH4, N2O и NH3 на 92,85–95,34%, 95,14–97,30% и 58,03–65,17% соответственно, но не CO2. Также по результатам гумификации здесь выходило, что содержание гуминовых кислот и фульвокислот на 35–42% и 24–28% выше при использовании высоких доз биочара соответственно по сравнению с низкими и контрольной группой.
Китайские исследователи показали, что при компостировании ОСВ вместо захоронения на свалках и при использовании полученного компоста на полях взамен искусственным удобрениям снижение эмиссии, по сравнению с базовым сценарием, составляет – 0,6204 т CO2-экв на тонну ОСВ.
Сельское хозяйство
В результате мировой сельскохозяйственной деятельности выбросы ПГ в 2019 году составили 10,7 млрд т СО2-экв, это около 20% от общего объема глобальных выбросов. Если наряду с прямыми учесть косвенные выбросы, связанные с использованием минеральных удобрений и пестицидов, транспортировкой сельскохозяйственного сырья и продовольствия, а также изменением землепользования (в частности, обезлесение), то доля достигает почти 30%. В России выбросы ПГ от сельского хозяйства в 2019 году составили 114,2 млн т СО2-эквивалента.
По некоторым оценкам на сельское хозяйство приходится около 81% от антропогенного выброса N2O и 70% – CH4. Основной вклад в эмиссию метана вносят желудочная ферментация скота (21% от всего антропогенного выброса) и обращение с навозом (8%), а также рисовые поля и сжигание отходов в сельском хозяйстве.
Основными причинами выбросов оксида азота в сельском хозяйстве являются внесение и производство азотных удобрений, а также различные практики обращения с навозом. Как показывает ряд исследований, существенное выделение метана происходит при хранении навоза, причем его образуется меньше при хранении твердого навоза, чем жидкого. Тогда как оксид азота выделяется как при хранении, так и при использовании навоза как удобрения. При не использовании навоза или неправильной подготовке к использованию идет выброс не только ПГ, но и аммиака, который не является парниковым, однако опасен для здоровья человека, а потеря азота в форме аммиака снижает ценность навоза как удобрения. При хранении жидкого навоза в открытых хранилищах потери азота в виде аммиака достигают 15% от содержания аммиачного азота.
Для сокращения углеродного следа от сельского хозяйства предлагаются различные методы, в частности, прямая переработка навоза взамен длительного хранения его большого объема в резервуарах, эффективное компостирование, утилизация остатков. Таким образом, применение органических удобрений, полученных при компостировании, исключает выбросы парниковых газов, возникающих при производстве и внесении синтетических удобрений.
Канадские исследования показали, что общий выброс ПГ при использовании компостирования навоза на свинофермах составил 24% от оценки для традиционного обращения с жидким навозом. Также было отмечено, что выброс существенно зависит от методов компостирования: эмиссия была выше для открытых систем (outdoor windrow composting systems), чем для контролируемых аэрируемых (controlled aerated systems).
В ряде исследований было показано, что разделение компоста на жидкую и твердую фракции существенно снижало общий выброс ПГ по сравнению с хранением жидкого навоза. Так, на свиноферме в США был поставлен эксперимент с заменой традиционного способа хранения в открытых резервуарах на комплекс мероприятий, в том числе с разделением на фракции, использованием добавок и аэробного компостирования, что привело к сокращению выброса ПГ на 96,9%: от 4972 т CO2-экв. к 153 т CO2-экв./год.
На примере утиных экскрементов была показана эффективность сочетания техник предварительного компостирования, а затем вермикомпостирования с добавлением тростниковой соломы и цеолита, что существенно снижало выбросы аммиака, оксида азота и метана. В другом исследовании было показано, что биочар в качестве добавки к компосту улучшает процесс разложения и адсорбирует аммиак (снижение выброса на 64% для птичьего навоза).
В сельском хозяйстве также активное применение находят скрубберы для очистки воздуха и биофильтры. Они применяются в животноводстве, в том числе для снижения пылевой взвеси в воздухе. Но необходимо учитывать, что в таких фильтрах могут поселяться микроорганизмы и также производить нежелательные газы.
Выводы
Компостирование является эффективным способом снижения эмиссии ПГ для всех видов отходов. Но степень эффективности зависит от выбранной технологии и условий компостирования, которые необходимо выбирать в соответствии с составом компостируемого субстрата. На основании приведённых исследований наименее эффективной является технология традиционного компостирования, наиболее эффективной - закрытое компостирование с использованием системы аэрации, ворошения и очисткой выбросов с помощью биофильтров или скрубберов. Весомое сокращение эмиссии ПГ можно достигнуть при компостировании отходов сельского хозяйства, исключения хранения навоза и внедрения сепарации жидкого навоза. При компостировании осадка сточных вод внесение определенных добавок значительно снижает выбросы ПГ. Для городских органических отходов, с учётом косвенных выбросов ПГ, эффективнее использование общественных компостеров на несколько домов, чем использование индивидуальных компостеров или вывоз на компостные площадки.
Автор: Первакова Вера Николаевна, руководитель проекта CompostPro