Систематический обзор ресурсосберегающих технологий, проблем экологизации сокращения образования пищевых отходов

Ежегодно растущее потребление пищевых продуктов приводит к увеличению антропогенной нагрузки на окружающую среду. За счёт образования большого количества отходов вопрос необходимости совершенствования ресурсосберегающих технологий становится одним из приоритетных направлений. По данным статистики, не менее трети произведенного продовольствия в результате обращения становятся пищевыми отходами. Превращение пищевой продукции в отходы свя- зано не только с проблемами хранения, но и этапами сбора урожая, производства и транспортировки [13].

Стоить отметить региональные различия в процессах образования отходов. В более развитых странах по сравнению с развивающимися большая доля продуктов становится отходами в процессе хранения и потребления из-за насыщенности рынка продовольствия, доступности и большого выбора [20]. По данным ООН за 2019 г., не менее 17 % доступных потребителям пищевых продуктов были ути- лизированы на последнем этапе реализации, так и не попав к потребителю [19].

Согласно действующему федеральному классификационному каталогу, пищевые отходы относятся к 4–5 классу опасности. По данным Государственного доклада Министерства природных ресурсов и экологии в 2021 году более 90 % твёрдых коммунальных отходов были вывезены и размещены на полигонах, при этом объем отходов за последние 10 лет вырос в 3 раза, что угрожает территориям, прилегающим к существующим полигонам [2].

Для решения проблем накопления отходов с 2018 года реализуется Федеральная программа (ФП) «Комплексная система обращения с ТКО», целью которой является создание системы переработки и утилизации отходов. Согласно отчетам уже удалось снизить долю направленных на захоронение твердых коммунальных отходов с 97 % в 2018 г. до 92,4 % в 2022 г., по планам Федеральной программы планируется сокращение вывозимых для захоронения отходов до 49,8 % к 2030 году [7].

На сегодняшний день пищевые отходы не выделены в отдельную категорию ТКО и встречаются в 4 блоках ФККО как более 100 разрозненных наименований. С этим связаны некоторые сложности в их вторичном использовании и переработке. К пищевым отходам, согласно требованиям СанПиН 2.1.3684-21, предъявляются особые требования хранения, не допускающие хранение более 24 часов вне холодильного оборудования и более 1 недели на территории их образования. Отходы должны перерабатываться в полном объеме. Не существует системы учёта потерь на различных этапах от производства до потребителя и полноценной статистики в отечественной практике. При этом существующие способы и технологии переработки пищевых отходов, по сути, являются отдельным направлением переработки ТКО с объемом не менее 25 % от всех образующихся отходов. Международный опыт показал возможность использования перспективных технологий для обращения с пищевыми отходами, однако из-за технологической сложности и затратности наиболее широко распространённым методом остается захоронение.

Целью данного обзора является анализ существующих технологических решений по ресурсосбережению и сокращению образова- ния пищевых отходов, а также рассмотрение проблем экологизации пищевых систем.

В связи с этим необходимо найти ответы на следующие исследовательские вопросы:

Какие существуют действующие ограничения по обращения с пищевыми отходами?

Какие существуют действующие и перспективные технологии обращения с пищевыми отходами?

Объекты и методы исследований

Для проведения исследования и анализа существующих технологических решений по ресурсосбережению был осуществлен поиск по ключевым словам в общедоступных базах данных: Scopus, Science Direct, Google Scholar и РИНЦ. В результате поиска было найдено 527 статей, находящихся в открытом доступе, за временной период с 2011 по 2023 год. Ввиду большого количества публикаций и актуальности темы приоритет отдавался публикациям за последние 5 лет. Далее анализировались аннотации выбранных публикаций и соответствие дополнительным ключевым словам. Кроме того, для получения актуальной информации и подтверждения реального использования технологий анализировались международные новостные ресурсы и ссылки на текущие исследования. В качестве источников информации также были использованы вновь вводимые нормативные документы, обзоры и отчеты научных центров, правительственные программы развития и опубликованные отчёты об их выполнении.

В итоге была отобрана 21 публикация, наиболее соответствующая критериям, проанализирована и отсортирована с учётом тематики и ссылок.

Результаты и их обсуждение

Сравнительный анализ количества публикаций за последние 12 лет по запросам «пищевые отходы» и «food waste» в различных базах данных показывает рост интереса к проблеме пищевых отходов. На рис. 1 показано количество публикаций, зарегистрированное количество научных статей, опубликованных в базах данных Google Scholar и РИНЦ за 2011–2022 гг., превышают суммарное количество статей за 8 предыдущих лет. В российских базах данных, на примере РИНЦ, количество статей в год за 12 лет увеличилась в 3 раза. При этом снижение количества публикаций за последние 3 года по теме в базе данных Google Scholar может быть связано с распространением разработок отдельных ви- дов переработки или изменение терминологии, пищевые отходы ^ вторичное сырье.

Технологические решения по экологизации и сокращению образования пищевых отходов можно разделить на несколько направлений: раздельный сбор и сортировка; повторное использование в качестве вторичного сырья; производство непищевых продуктов с добавленной стоимостью; термическая утилизация; захоронение. Изменения в законодательстве многих стран свидетельствует о необходимости сокращения неперерабатываемых отходов, в том числе пищевых [6].

В рамках проекта KS1670 «Финско-российское государственно-частное партнер- ство стимулирует новый зеленый бизнес» Ю.Г. Гладштейн с соавторами описали финский и российский опыт обращения с отходами, а также рассмотрели качественные характеристики и состав отходов, который представлен на рис. 2 [1].

Проблема образования и утилизации отходов контролируется и законодательно регулируется на государственном уровне. В 2025 году в РФ в полном объеме будет действовать концепция расширенной ответственности производителей (РОП), запущенная реформами 2019 года. В соответствии с этим документом производители будут обязаны полностью утилизировать вырабатываемую ими упаков-

База данных РИНЦ     База данных Google Scholar

Рис. 1. График роста количества публикаций по источникам

Рис. 2. Состав смешанных отходов в РФ 2020 год [1]

ку. Следует отметить, что данная мера будет также распространяться на неликвидную пищевую продукцию. В РФ законодательством предусмотрено раздельное хранение и изъятие продукции с истекшим сроком годности, при этом дальнейшее использование в качестве продуктов питания и распространение запрещено законом. В странах Европейского союза предусмотрена процедура передачи продукции с истекающим сроком годности приютам для животных, фермерским хозяйствам и по программам помощи нуждающимся.

Раздельный сбор и сортировка

Системообразующим компонентом решения проблемы сокращения коммунальных отходов, в том числе пищевых, является сортировка. Пищевые отходы обычно состоят из очистков, оставшихся в момент приготовления еды, недоеденных блюд и купленных сверх меры продуктовых запасов, а также просроченных либо подпорченных продуктов. Помимо съедобной составляющей, большую часть таких отходов составляет упаковка – бумага, стекло, различные пластики. Согласно данным исследований, спрос на эти материалы в виде вторичного источника сырья в России есть, но доля их извлечения колеблется от 12 до 28 % [7]. Помимо общеизвестных практик изготовления тары из стеклобоя, картона из бумажных отходов и производства паллет или гранул из пластика, интересными примерами использования подобного сырья выглядят технологии изготовления кирпичей из стекла и макулатуры [7]. Их преимуществами являются огнестойкость и водостойкость, на 60 % меньшая масса, на 70 % меньшая стоимость в сравнении с керамическими кирпичами и высокие декоративные свойства. В США и Канаде тестируется строительство дорог с применением отходов стекла и пластика.

Вопрос сортировки в России решается на мусороперерабатывающих заводах, где в ручном либо автоматическом режиме происходит разделение фракций для дальнейшего использования и переработки, либо для последующего захоронения. К сортировке и раздельному сбору бытовых отходов (РСБО) приступили лишь в 2019 году в связи с принятием закона о раздельном сборе мусора. Однако отдельных контейнеров для пищевых отходов чаще всего не предусмотрено.

Рассматривая мировой опыт, в первую очередь, страны Европы, можно отметить, что проблема раздельного сбора там решена. Ка- ждый тип отходов выбрасывается в отдельный мусорный контейнер, за которым потом приезжает отдельная машина, развозящая различные отходы на разные типы заводов. Однако примеряя подобный опыт на российские реалии, нужно учесть различия в размерах территории и плотности населения стран ЕС и России. Затраты на логистику в Нидерландах гораздо ниже, чем в РФ, где от населенного пункта до ближайшего мусороперерабатывающего завода, в условиях их дефицита, нужно преодолеть огромное расстояние.

Результаты работ российского социолога Шабановой М.А. опровергают широко распространенное мнение о том, что россияне не готовы к включению в практику РСБО. Полученные данные о приемлемых для населения затратах времени на сортировку и доставку отходов в раздельные контейнеры (пункты) указывают на первостепенную важность развития инфраструктуры доступности: высокоплотной сети контейнеров-пунктов для сбора отходов, выделения при проектировании новых жилых домов специальных, предназначенных для этого помещений [9].

Наблюдается рост ответственности производителей за цикл жизни товара в РФ. Отдельные производители, в том числе молочной продукции, размещают информацию о местах сбора использованной упаковки на общедоступных информационных площадках, тем самым организовывают процесс переработки и снижения количества ТКО [4, 8].

Повторное использование в качестве вторичного сырья

При рассмотрении использования пищевых отходов и просроченных продуктов без учета упаковки не вызывает сомнений утверждение ряда авторов, что отходы пищевого производства могут быть рассмотрены как составляющая часть сырьевой базы животноводства. По оценкам сотрудников Университета Милана L. Pinotti, A. Luciano, M. Ottoboni, M. Manoni, L. Ferrari и D. Marchis от 32 до 68 % урожая зерновых в мире идет на корм скоту [16]. Использование отходов в качестве сырья способствует получению полноценных кормов с минимальными затратами на их производство [2]. Однако подобные практики были запрещены в ряде стран, в частности Великобритании, США и ЕС, после вспышек заболеваний скота и его гибели, вызванных их кормлением загрязненными пищевыми отходами. В то же время ряд стран продолжает использовать пищевые отходы в качестве источника кормов для животноводства. Наибольших успехов достигли Япония и Южная Корея, перерабатывающих в корма для свиней 35,9 и 42,5 % всех своих пищевых отходов [20]. Барьеры по внедрению подобных практик обычно лежат в вопросах микробиологической безопасности. Сушка и термическая обработка пищевых отходов перед употреблением в корм животным позволяет снизить количество влаги и уничтожить большинство микроорганизмов. Разработка технологий и проектных решений, сочетающих в себе решения по достижению микробиологической безопасности и сохранению необходимых питательных свойств, является, на наш взгляд, приоритетной задачей.

Производство непищевых продуктов с добавленной стоимостью

Одним из стратегических направлений развития промышленности передовых стран в современном мире является биотехнологическое получение химических продуктов из отходов. Используя микробиологическую переработку, можно получать различные вещества, такие как кормовой белок, сахара, органические кислоты, спирты, биотопливо, биологически активные соединения и многое другое [2].

Одной из основных технологий переработки пищевых отходов, по мнению многих авторов, является компостирование. Компостирование является третьим по популярности способом переработки пищевых отходов в странах ЕС [7].

Другие авторы предпочитают компостированию анаэробное сбраживание – процесс расщепления органического вещества без доступа кислорода. Конечным продуктом процесса является образование биогаза, состоящего на 50–75 % из метана и на 25–50 % из углекислого газа [18]. В качестве основных преимуществ перед компостированием указываются возможность использования более «грязного» исходного сырья, совместное сбраживание различных категорий отходов, отсутствие запахов в районе расположения установки и меньшее занимаемое место. Биогазовый потенциал пищевых отходов рассмотрел в своем исследовании белорусский ученый Капустин Н.Ф. По результатам его работы видно, что испорченные или просроченные пищевые продукты, такие как сметана, молочная сыворотка, молоко, чипсы кар- тофельные и пиво имеют сопоставимый удельный выход метана при их анаэробной ферментации в сравнении с навозом крупного рогатого скота [3].

Однако использование совместного сбраживания различных видов сырья влечет за собой затруднения в последующем использовании дегистата – сухого и жидкого остатков, образовавшихся в процессе сбраживания. Наличие загрязняющих примесей не позволяет его использование в качестве удобрения почв. Еще одним существенным недостатком метода перед компостированием является себестоимость. По оценкам экспертов затраты на возведение установки для анаэробного сбраживания превышают затраты на компостирование в 10 раз [21].

Таким образом, по мнению американских ученых Arpit H. Bhatt и Ling Tao, экономически биогаз не может конкурировать с природным газом, цены на который на момент исследования в 2020 году находились на минимальных значениях за долгие годы. Тем не менее, в качестве направления для дальнейшей работы ими была указана необходимость разработки технологических решений увеличения доли выхода метана и уменьшения доли углекислого газа [10].

Внимания заслуживают отдельные исследования специалистов в области извлечения ценных веществ из пищевых отходов лабораторными методами, не получившими на текущий момент широкого применения. Среди них экстракция пектинов и Омега-3 с помощью ультразвуковой или микроволновой экстракции, сочетание ультразвуковой и ферментной экстракций для получения белков, технологии экстракции антиоксидантов, каротиноидов и фенольных соединений [11]. Поиск новых решений экстракции ценных веществ из пищевых отходов с конкурентной стоимостью и возможностью использования в промышленных масштабах является приоритетным направлением исследований.

Одним из альтернативных способов утилизации пищевых упаковок является использование в качестве наполнителя для строительных материалов. Процесс переработки пищевых отходов состоит из измельчения и последующего использования измельченных упаковок и твердых продуктов при изготовлении добавок для производства цемента по ТУ 5743-001-84050842-09 [12].

Множество публикаций посвящено возможностям переработки пластиковой многоразовой и одноразовой упаковок, что обусловлено постепенным введением РОП и необходимостью соответствовать требованиям переработки [4, 5, 8].

Термическая утилизация

Термическая переработка непосредственно пищевых отходов не целесообразна. Высокое содержание влаги влияет на воспламеняемость и теплотворную способность [20]. Обычно пищевые отходы поступают на сжигание в составе смешанных ТКО. Таким образом, удается добиться теплотворности в 1900 ккал/кг, необходимой для эффективного сжигания с рекуперацией энергии. По мнению многих экспертов, термическая обработка остается самым популярным способом переработки ТКО во всем мире [7, 14, 20].

Сжигание позволяет сократить объем отходов на 90 % и массу на 70 %. Однако в процессе сжигания мусора образуется большой объем золы, которая представляет еще большую опасность, чем сами отходы и из-за ограниченности применения требует захоронения. Проблему представляют и затраты на создание мусоросжигательного завода (капитальные - от 80 до 100 тыс. долларов на тонну, сжигаемую в день, эксплуатационные расходы достигают 20 долларов за тонну) [7].

Пиролиз является альтернативой сжиганию. В процессе пиролиза происходит термическое разложение углеводородных соединений при недостатке кислорода на составляющие менее тяжёлые молекулы под действием высокой температуры. В результате пиролиза образуются пиролизный газ, жидкие продукты и твердый углеродистый остаток. Преимущество пиролизного газа перед природным состоит в том, что в его состав не входит соединения серы и азота. А преимущества технологии перед сжиганием состоит в отсутствии образования токсичных соединений, диоксинов и тяжелых металлов, выбрасываемых в атмосферу.

Перспективные исследования произвел вместе с коллегами китайский ученый Gang Li в области совместного пиролиза пластика и органических материалов, так называемого ко-пиролиза. Анализ показал, что совместный пиролиз грибных палочек с пластиковой упаковкой из-под муки снизил энергию активации реакции, повысил степень реакции пиролиза, снизил образование загрязняющих веществ [15].

Захоронение

Популярность захоронения отходов на полигонах и свалках в разных странах растет со снижением уровня их экономического развития [7]. С 1992 по 2019 год основной стратегией по обращению с отходами в России являлось захоронение. Высокий процент пищевых отходов в составе содержимого полигонов и свалок провоцирует его разложение с образованием свалочного газа, состоящего наполовину из метана и наполовину из углекислого газа. Поэтому важным направлением модернизации полигонов является развитие технологий улавливания свалочного газа с последующим его сжиганием в факелах или для выработки электроэнергии. Предыдущие исследователи сообщали, что коэффициент извлечения свалочного газа составляет от 35 до 90 % [17].

Около 33 % мировых отходов приходится на открытые свалки [14]. Чтобы избежать смешения загрязняющих выделений в почву, а также попадания подземных вод в зону складирования и захоронения отходов, используются противофильтрационные экраны [7].

Необходимо отметить, что несмотря на очевидную актуальность проблемы образования и накопления пищевых отходов, большинство вышеперечисленных технологий повторного использования и переработки пищевых отходов не нашли широкого применения в отечественной практике из-за экономической целесообразности и объективной необходимости их адаптации к российским реалиям.

Выводы

В данном обзоре нами была рассмотрена 21 публикация на тему ресурсосберегающих технологий, сокращения образования пищевых отходов и экологизации пищевых производств. Проанализировав наиболее распространенные технологии переработки, историю и пути их внедрения, были сформированы следующие перспективные направления для дальнейшего исследования: разработка проектных решений по раздельному сбору пищевых отходов и модернизации существующих мусоропроводных систем; разработка технологий и проектных решений, сочетающих в себе решения по достижению микробиологической безопасности и сохранению необходимых питательных свойств кормов на основе пищевых отходов; разработка решений по повышению КПД установок анаэробного сбраживания; поиск новых технологий экстракции ценных веществ из пищевых отходов с конку- рентной стоимостью и возможностью использования в промышленных масштабах.

Анализ технической литературы и публикационной активности по основным базам данных Scopus, Google Scholar, Science Direct, РИНЦ, свидетельствует об актуальности разработки ресурсосберегающих технологий, поиска решения проблем экологизации и со- кращения образования пищевых отходов. Полученный в ходе систематического обзора материал может быть использован при планировании новых исследований, в качестве материала, описывающего современный уровень развития технологий, совершенствования существующих и поиска новых ресурсосберегающих решений.