В. И. Романов. Что надо знать о мусорных экскретах

Вадим Романов
Что надо знать о мусорных экскретах

   Книга издана в авторской редакции и оформлении
 
   Автор:
   Романов Вадим Иванович –
   Ведущий научный сотрудник
   Института глобального климата и экологии
   РАН и Росгидромета, доктор технических наук
 
   Замечания и пожелания о содержании книги
   направлять по E-mail: [e-mail]
   По этому же адресу направлять заказы на приобретение книг.
 
   Техническое и научное редактирование выполнено Романовой Р. Л.

Введение

   Что такое мусор, отбросы и что такое отходы? Одно и то же это или разные понятия? Как эти понятия проявляются в нашей жизни и как будут проявляться в жизни наших детей? Эти и ещё множество других вопросов, до сих пор не являясь предметом научного изучения, всё чаще возникают не только у жителей стремительно загаживаемых городов и мегаполисов, но и у обитателей патриархальных, погруженных казалось бы в многовековую дремоту, городков и деревень…
   Что же такое могло случиться, чтобы ранее инертное и социально пассивное население нашей необъятной страны вдруг встрепенулось и активизировалось? Просто исчез продовольственный и вещевой голод, и у основной массы населения появились «лишние» продукты питания и вещи, часть из которых перекочевала на свалки…
   Известно, что мусор не вчера появился, а существует столько же, сколько живёт человечество. Человек оказался на редкость «мусоротворческим существом». Каждый день он в среднем создаёт («творит») около 1 килограмма мусора. Однако, если этот килограмм мусора в «допластиковую» эпоху легко и быстро разлагался простейшими микроорганизмами, то после создания пластиковых изделий — необыкновенно красивых, продуманно функциональных и прочных — мусор (вернее его пластиковая часть) стал «не по зубам» бактериям. Например, в земле он может лежать практически неповреждённым десятилетиями (при некоторых условиях — столетиями!).
   Лавинообразный поток мусора способен погрести под собой современную цивилизацию. Изделия из пластики буквально наводнили весь мир, стали незаменимыми и казалось бы жизненно необходимыми. Действительно пластик прекрасный материал, но он имеет один важный недостаток. Недостатком пластиковых изделий с точки зрения их утилизации является их высокая «живучесть» в природных средах, составляющая в зависимости от конкретных условий от нескольких лет до нескольких сотен лет.
   Горы мусора, отбросов и отходов скапливаются на предприятиях, свалках и мусорных полигонах, выбрасываются на землю, закапываются в грунт, затапливаются и сжигаются, однако проблема замусоривания природы только усугубляется, так как генерация мусора значительно превосходит его реальное уничтожение.
   Мусор, как говорится, «достал» всех! Жители больших и малых населённых пунктов выступают с требованиями убрать мусор подальше от их жилья, не строить мусорные полигоны и мусоросжигающие заводы, навести порядок на улицах и в водоёмах. Из-за не убираемого вовремя мусора возникают даже политические кризисы…
   Следует заметить, что не только содержимое мусорного ведра или отбросов мусорных свалок и полигонов представляют интерес, а вернее сказать — озабоченность, для множества жителей нашей страны и других экономически развитых стран. Мусор в Космосе (точнее сказать, в околоземном космическом пространстве) стал предметом дебатов в научных заведениях, парламентах, изданиях прессы. Оказалось, что он может нарушить работу ставших привычными средств мировой коммуникации, а также функционирование жизненно важных народнохозяйственных объектов.
   Все эти вопросы поднимаются и обсуждаются в нашей книге, состоящей кроме введения и заключения из трёх глав. Первая глава посвящается рассмотрению базовых определений и понятий экскретологии, роли и места в этом научном направлении так называемых мусорных экскретов, связанных с деятельностью человека. Обсуждаются разновидности мусорных экскретов, их свойства, неоднозначный характер формирования этих объектов.
   Во второй главе книги рассмотрены возможности полезного использования мусорных экскретов. Современные технологии позволяют из отбросов получать полноценные продукты питания, из мусора свалок — тепловую и электрическую энергию. Мусорные экскреты, при должном обращении с ними, способны решать многие проблемы энергетики и космонавтики. Кроме того, глобальные мусорные экскреты в виде залежей перспективных ископаемых могут рассматриваться в качестве сырьевой базы цивилизации.
   В третьей главе книги обсуждается роль мусорных экскретов в планетарном цивилизационном кризисе, разразившемся практически во всех странах мира. Он носит комплексный характер и имеет политическую, экономическую, социальную и экологическую составляющие. Рассмотрены вопросы влияния мусорных экскретов на предкризисное и кризисное состояния земли, водных объектов и околоземного космического пространства. Обсуждаются проблемы мусора как инициатора массовых протестных выступлений и политических кризисов.
   Отдельной затронутой в книге проблемой является описание нового объекта (феномена) — так называемого квазимусора, являющегося продуктом общества избыточного потребления. Доля квазимусора в производстве общей «мусорной корзины человечества» становится всё более заметной и весомой, и этот новый объект должен учитываться в структуре генерируемых цивилизацией отходов.
   Книга имеет много иллюстративного материала, облегчающего её восприятие; она адресована читателям, любознательным и неравнодушным к судьбам родной земли.

Глава I
Экскреты и экскретология

   Этот раздел книги, посвященный ознакомлению с понятиями и определениями экскретологии, написан на основе наших работ [1, 16,90].

1.1. Понятия и определения, используемые в экскретологии

Экскретология и экскреты

   Экскретология (от латинского excretum — выделенное) — наука о выделениях и отторжениях, выбросах, потерях и удалениях антропогенных (связанных с человеком и его деятельностью) и природных объектов, их возникновении, трансформации, возможной утилизации, использовании и уничтожении. Такими объектами — экскретами — являются конечные продукты деятельности человека и других живых организмов, а также вещества и продукты, возникающие при различных — как правило экстремальных — природных процессах. Рассматриваются материальные объекты в виде физических тел. О нематериальных экскретах смотри в Приложении книги [1].
   В широком смысле экскретами являются любые естественно-природные и антропогенные объекты, закончившие свой жизненный цикл, выделенные и/или отторгнутые организмами (в том числе и общественными), выбрасываемые за ненадобностью или уничтожаемые каким-нибудь способом.
   В справочной литературе (например, в словаре русского языка Д. Н. Ушакова [16]) понятие отторжения определяется так: «Отторгать — отторгнуть что от чего, оторвать, отделить дёргая, порвав; отодрать, отнять силою». В нашей книге процесс отторжения трактуется более расширенно и предполагает:
   а) для живых организмов — выделение, отделение и изоляцию от привычных биогеоценозов в том числе со смертельным исходом;
   б) для неорганических объектов — выделение, отделение, изоляцию от первоначального физического тела, потерю или выбрасывание, деструкцию или уничтожение.
   Классификации выделяемых природой и обществом объектов как составных частей экскретологии представлена на схеме Рис. 1.1.1.
   Схема этого рисунка иллюстрирует подразделения экскретов на антропогенные и естественно-природные. Из неё видно, что природные мусорные экскреты — это отбросы, мусор и токсичные выбросы, причём все эти экскреты естественного происхождения. Антропогенные мусорные экскреты, появляющиеся при деятельности человека, кроме техногенных продуктов содержат также и продукты естественного происхождения. Антропогенные мусорные экскреты представлены экскретами мусора и квазимусора, отбросов, сырьевых отходов и токсичных выбросов.

 
   Рис. 1.1.1. Схема классификации экскретов по принадлежности к природным и антропогенным. Блок залитых ячеек объединяет мусорные экскреты: природные и антропогенные
 
   Элементы экскретологии — это отходы, мусор и квазимусор, отбросы, а также утраты, находки и потери, виктимы и девиаты. В этом разделе книги выясняется какой смысл вкладывается в определение этих объектов.
   Можно сказать, что экскретами являются все материальные объекты природных сред и человеческого общества, отслужившие «свой срок», закончившие жизненный цикл или появившиеся (возникшие) при деструктивных, катаклизменных или катастрофических явлениях.
   Классификация экскретов по принадлежности к естественно-природным (в дальнейшем для краткости — природным) или антропогенным приведена на схеме Рис. 1.1.1. В ней естественно-природные объекты противопоставляются антропогенным, хотя формально, антропогенные объекты являются частью природных (Природа — всё существующее во Вселенной, органический и неорганический мир [2]). Такая вольность в формулировке позволяет акцентировать характерные различия экскретов и поэтому, на наш взгляд, вполне уместна.
   Кроме того, противопоставление антропогенных и естественно-природных объектов, на наш взгляд, диктуется самой жизнью. Ведь ни сам современный человек, ни огромное количество неестественных им созданных ксенобиотических объектов, мягко говоря, «не вписывается» в отрегулированный тысячелетиями экологический механизм планеты. И сомнительно, что когда-нибудь впишется… Существование неистребимых антропогенных мусорных экскретов тому явное доказательство. Поэтому более правильным было бы вместо названия экскретов «анропогенные» в схеме рисунка 1.1.1. использовать название «неестественно-природные».
   Подробно о «немусорных» экскретах: потерях, находках, виктимах, утратах и девиатах можно прочитать в нашей книге [1].
   Обсудим кратко «мусорную составляющую» экскретологии, её компоненты, основные и вспомогательные понятия. Приведём некоторые определения мусорных экскретов [1,16,90].
   Например, для бытовых отходов можно использовать следующее определение.
   Отходы — произведённые человеком вещества, тела, продукты и объекты, потерявшие потребительские свойства и не пригодные для использования по прямому назначению. Однако это не означает, что их нельзя использовать для каких-нибудь других целей, например, утилизируя ценные компоненты или вещества. Востребованные отходы — вторичное сырьё.
   Невостребованные отходы представляют собой ненужный мусор, отправляются на свалку или уничтожаются.
   На бытовом уровне мусор определяют как отбросы, сор [2]. Отброс — негодный остаток чего-нибудь, сор — мелкие сухие отбросы, мелкий мусор [там же].
   В общем случае мусором могут быть названы произведённые человеком твёрдые или условно твёрдые предметы, вещества, продукты, потерявшие потребительские свойства и невостребованные отходы, выбрасываемые или уничтожаемые им за ненадобностью, а также твёрдые или условно твёрдые предметы, вещества, продукты, возникающие в природных средах после разрушения её объектов при катаклизмах, катастрофах или авариях, захламляющие, загрязняющие или отравляющие природные среды, нарушающие нормальную (установившуюся) жизнь биологических объектов.
   Понятие твёрдого или условно твёрдого предмета, вещества или продукта в этом определении означает, что рассматриваемые объекты не жидкие и не газообразные, а относятся к твёрдой фазе. Твёрдое тело характеризует агрегатное состояние вещества со стабильностью формы в виде кристаллических или аморфных объектов [87], а понятие твёрдости характеризует сопротивляемость вдавливанию или царапанию [3]. Строго говоря, любое тело при достаточном охлаждении становится твёрдым.
   При нормальных условиях примерами твёрдых тел могут быть металлы, соединения металлов с неметаллами (металлиды), некоторые минералы. Примерами твёрдых аморфных тел служат стекло и изделия из него, янтарь, смолы, битумы и полимеры [87]. При экскретологических исследованиях наряду с понятием твёрдого тела целесообразно использовать понятие условнотвёрдого тела как мерило содержания в нём влаги (в основном воды). На практике именно водность (влажность) выбросов является определяющей характеристикой при рассмотрении их классификации и динамики в природных средах.
   Влажность определяется как отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале, к массе (реже к объёму) материала в сухом состоянии и выражается в процентах. При этом массу материала берут в естественном влажном, а не в насыщенном водой состоянии.
   Вычисляют массовую влажность W_m и объёмную W_o по формулам (%):
 
   W_m =((m₂-m₁)/m₁)_*100;
   W_o = ((m₂-m₁)/V)_*100,
 
   где
   m₁ и m₂ — масса материала соответственно в сухом и в естественном влажном состоянии, [г];
   V- объём материала в сухом состоянии, [см³].
   Понятие условнотвёрдого тела можно конкретизировать применительно к мусору, произведённому человеком — антропогенному мусору, и возникающему в природе — естественно-природному мусору или сокращённо природному мусору.
 
   Из соотношения (3) следует, что при массовом содержании твёрдого вещества и газов в выбросе, превосходящем 30 %, его следует причислить к «твёрдым отходам» (в России — ТБО). Приближённая оценка «твёрдости» мусорных отходов может быть записана так:
 
   α ≥ 0,3,
 
   где α — массовая доля твёрдого вещества в выбросе.
   В эту категорию выбросов попадает большинство бытового, часть промышленного, горнорудного и прочего мусора (см. Таблицу № 1.2.).
   "Жидкими отходами" \liquid waste\ признаются отходы, содержащие менее 1 % твёрдого вещества [92], то есть при
 
   α ≤ 0,01.
 
   Существуют также "полужидкие отбросы"\sludge\, содержащие от 3 % до 25 % твёрдых материалов:
 
   0,25 ≤ α ≥ 0,03.
 
   Таблица № 1.2.
   Содержания воды в физических телах при влажности окружающего воздуха 80 % [91] и соответствующие значения параметра α
 

   Природный мусор универсальный и носит неизменный характер независимо от географических, метеорологических или временных характеристик исходных объектов. В отличие от него антропогенный мусор многолик, неоднозначен и носит индивидуальный характер. То, что является мусором для одного предприятия или человека, может представлять потребительский интерес для других объектов. Кроме того, такой мусор по-разному может пониматься и восприниматься в различных географических местах, в разных социальных группах и в различные исторические времена. Таким образом, строго говоря, понятие антропогенного мусора является весьма неопределённым и расплывчатым и трактуется применительно к конкретной обстановке. Подробно это обсуждается в наших книгах [1,90].
   Предложим понятие отбросов в широком смысле слова, а не только применительно к человеческой деятельности, учитывая наработки других литературных источников.
   Отброс — «всё, что откинуто, отброшено куда по негодности» [28], негодный остаток чего-нибудь [2]. Отбросами являются, в первую очередь, продукты жизнедеятельности живых организмов. В общем случае к отбросам можно отнести:
   — отходы продуктов питания при приготовлении пищи и несъедобная пища;
   — отходы жизнедеятельности человека и других живых существ (кал, моча, слёзы, слизи, слюни, сопли, серные образования в ушах, выделения желез внутренней секреции, кишечные газы, выдыхаемый воздух и т. п.);
   — отмершие или выпавшие роговые, хитиновые или костные образования (выпавшие зубы, волосы, перхоть, ногти, рога, копыта, …);
   — сменяемые кожные покровы или их части (куколки при линьке насекомых, кожа при линьке пресмыкающихся, фрагменты кожи (болячки) при заживлении ран у млекопитающих;
   — опадающие листья, увядшие соцветия, обломившиеся опавшие веточки и другие естественно сменяемые объекты флоры;
   — погибшие естественной смертью объекты флоры и фауны (за исключением утрат).
   Отбросы объектов флоры и фауны необходимы для нормального функционирования биоценозов — совокупности животных, растений и микроорганизмов, населяющих различные участки среды их обитания с примерно однородными условиями жизни. Поэтому отбросы живых организмов в среде их проживания не мусор, а важная составная часть биоценоза, вне среды их обитания отбросы на бытовом уровне рассматриваются как мусор.
   Что касается антропогенной составляющей отбросов, то она соответствует определению мусора, являясь его частным случаем (фактически отбросы — это биологический мусор).
   Кратко отбросы можно определить так:
   1) несъедобная пища и пищевые остатки;
   2) продукты выделений живых организмов и их тела после естественной гибели (кроме утрат).
   Отбросы являются необходимым звеном процессов существования живых организмов.
   Понятие выброс в повседневной жизни используется довольно редко и обозначает выбрасывание; в технической литературе, как правило, применяют узкоспецифические определения этого понятия, которые применимы для конкретных областей знаний или производств. Часто в литературе используются такие определения [93]. Выбросы (эмиссия) — кратковременное или за определенный отрезок времени поступление в окружающую среду любых загрязнителей.
   Аварийный выброс — поступление загрязняющих веществ в окружающую среду в результате аварии или нарушения технологического процесса.
   Залповый выброс — единовременный концентрированный выброс значительного количества загрязняющих веществ в окружающую среду.
   Предельно допустимый выброс — количество загрязняющего вещества за единицу времени, превышение которого ведёт к неблагоприятным последствиям в природной среде и опасно для здоровья человека.
 
   При изучении экскретологии целесообразно использовать расширенное толкование этого понятия [94–98]. При этом слово «выброс» имеет два значения:
   — 1) процесс поступления с некоторой скоростью какого-либо (практически любого) вещества или продукта из источника в окружающую среду;
   — 2) материальный объект в виде некоторого объёма поступивший или поступающий в окружающую среду.
 
   В этой книге в зависимости от контекста нами будут использованы оба этих значения.
   Что касается выбросов мусора, то нами используется следующее его определение. Мусорный выброс: — 1) процесс поступления мусора с некоторой скоростью из источника в окружающую среду;
   — 2) объём мусора, поступающий (или поступивший) в окружающую среду.
 
   В соответствии с этим определением практически все твёрдофазные выбросы объектов народного хозяйства являются мусорными, так как они при работе загрязняют, захламляют и заражают природу продуктами горения, химических реакций или биологическими ингредиентами.
   Газообразные и жидкие выбросы могут быть определены так же как выше, то есть как процесс поступления соответствующего продукта в окружающую среду или объём газа или жидкости в ней.
   Мусорные выбросы в понимании процесса могут быть подразделены по продолжительности процесса поступления вещества (продукта) на:
   — мгновенные;
   — кратковременные;
   — продолжительные;
   — постоянные.
   Антропогенный мусор, как правило, имеет сложный состав, то есть является гетерогенной смесью. Он состоит в основном из твёрдых веществ с некоторыми количествами жидкостей и газов. Они представлены в объёме выброса в разных долях и комбинациях.
   К категории квазимусора относят мусорные экскреты, обладающие частично или полностью потребительскими свойствами, от которых их владелец избавляется из-за личных предпочтений (эстетических, художественных, престижных и т. п.) или по приказу (в случае других видов собственности на объект).

1.2. Разновидности мусорных экскретов и их свойства

   Наряду с элементарными экскретами — продуктами выделения и отторжения человеческим обществом и природой веществ, тел или предметов можно говорить об экскретах глобальных, представляющих собой массовые скопления или конгломераты элементарных экскретов. Такие массовые объёмы элементарных экскретов могут возникать на завершающих стадиях процессов диссимиляции живого вещества или деструкции, выпадения и скопления вещества неорганического (минерального или металлического).
   Если обозначить характерный признак (размер, массу, объём и др.) элементарного экскрета l, а глобального L, то критерий глобальности экскрета можно записать в следующем виде:
 
   l / L «λ,
 
   где λ — малый параметр, определяемый экспериментально или задаваемый из физических соображений.
   Другим условием глобальности экскрета должна быть однородность состава в пределах некоторых областей его существования или в целом объёме.
   Глобальные экскреты в пределах Земли и её ближайшего окружения — околоземного космического пространства (ОКП) существуют в виде естественных природных образований и в виде техногенных — привнесённых человеком. Рассмотрим вкратце как возникли эти экскреты и что представляют собой в настоящее время. Сами природные среды планеты условно также могут рассматриваться как скопления выделенных отторгнутых тел, веществ, предметов — то есть глобальными экскретами.
   Строго говоря, состав подобных образований далёк от однородного, однако в качестве модельного предельного случая такие планетарные «гиперэкскреты» имеют право на рассмотрение.
   Глобальные экскреты некогда живых организмов возникают под действием детритофагов — бактерий, простейших организмов, грибов и червей. Примером подобного глобального экскрета может служить почва как результат процессов совместного разложения растительных и животных остатков биосферы Земли, а также минеральных пород.
   Именно эволюция живого покрова планеты — биоты является постоянно действующим фактором активного изменения биогеоценоза, а с ним и почвы и других глобальных экскретов.
   Подобные процессы возникновения глобальных экскретов наблюдаются и в других природных средах. Рассмотрим механизм возникновения и трансформацию глобального экскрета на примере возникновения залежей подводного метана. Метан является самым «опасным» парниковым газом, так как выбросы этого газа провоцируют очередной этап глобального потепления. На определённом этапе повышения температуры на планете учёные предсказывали начало выбросов метана из океанов и зон вечной мерзлоты в полярных зонах Земли. В частности, в последние годы исследователи обнаружили выбросы значительных запасов метана со дна Северного ледовитого океана [92]. По мере потепления мирового океана вода прогревает его дно, и это провоцирует выбросы этого газа.
   Глобальные экскреты в форме гидратов метана обнаружены недавно и на дне озера Байкал [99]. Это озеро очень глубокое и в нём могут реализоваться условия, необходимые для твёрдого соединения газа с водой при низкой температуре и большом давлении. Именно такие условия существуют на дне океанов и морей. Озеро Байкал является единственным местом на Земле, где газовые гидраты обнаружены в пресной воде.
   В 40-е годы прошлого века советские учёные высказали гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне вечной мерзлоты. В 60-е годы они же обнаружили первые месторождения газовых гидратов на севере СССР. С этого момента газовые гидраты начинают рассматриваться как потенциальный источник топлива. Постепенно выясняется их широкое распространение в океанах и нестабильность при повышении температуры. Поэтому сейчас природные газовые гидраты приковывают особое внимание как возможный источник ископаемого топлива, а также участник изменений климата.
   Ещё одним примером глобального экскрета могут служить залежи полезных ископаемых морского дна, имеющие космическое происхождение.
   Мировой океан занимает около 71 % земной поверхности. На его дне находятся разнообразные полезные ископаемые, и протекает интенсивный рудогенез (возникновение залежей). Вклад космического материала в океанические осадочные породы (например, накопление таких компонентов, как железо, никель, кобальт) морские геологи и геохимики связывают со значительными поставками на дно океана космической пыли [100], оседающей на дне в виде ила.
   Многочисленные измерения, выполненные в различных лабораториях мира, показали, что глубоководные илы растут со скоростью примерно 1 миллиметр за тысячу лет. В масштабах существования нашей планеты такое казалось бы мизерное выпадение космического вещества даёт вполне ощутимые величины: ~1 метр осадков за 1 миллион лет и 1 км — за 1 миллиард лет.
   Такие илистые образования находят практически во всех морях и океанах, а также нередко и в озёрах. Однако только глубоководные океанические конкреции залегают с большой плотностью (до 200 кг/м²), образуя рудные поля, перспективные с точки зрения разработки полезных ископаемых.
   Захоронения углерода на дне океана в виде панцирей микроорганизмов и моллюсков, а также геологические образования, такие как месторождения нефти и угля, возникшие из растительных остатков, очевидно, также являются глобальными экскретами. С процессами их формирования можно ознакомиться в многочисленных литературных источниках, поэтому они здесь не приводятся.