Диспоузер (измельчитель пищевых отходов или утилизатор пищевых отходов) — это прибор, который устанавливается под сливным отверстием кухонной мойки и предназначается для измельчения остатков пищевых продуктов с целью дальнейшего их смыва в систему канализации. Прибор был изобретён американским архитектором Джоном У. Хэммсом в 1927 году, а выпуск его на рынок начался с 1940 года. Диспоузеры получили широкое распространение в США, однако в отдельные временные периоды XX века они были запрещены на законодательном уровне в некоторых американских городах с общесплавной системой водоотведения (например, в Нью-Йорке). Это было связано с опасениями ведомств по охране окружающей среды, обусловленными наличием ливнеспусков на коллекторах общесплавной канализации, через которые смешанные стоки (городские и ливневые) могли попадать в водные объекты без очистки в периоды интенсивных дождевых осадков.
Противостояния производителей диспоузеров и муниципалитетов продолжались до проведения специальной программы [1] по исследованию влияния измельчителей пищевых отходов на системы водоотведения. Программа была реализована Департаментом охраны окружающей среды Нью-Йорка (NYC DEP) с 1995 по 1997 годы и показала, что при уровне распространения диспоузеров среди населения до 3 % домохозяйств (именно такая цифра была характерна для исследуемых жилых районов в те годы) значимого изменения состава сточных вод (с точки зрения работы водоотводящих сетей, очистных сооружений и влияния на водные объекты — приёмники очищенных сточных вод) не происходит.
На сегодняшний день США сохраняют общемировое лидерство по исторической продолжительности использования диспоузеров и общей доли домов, оснащённых ими (50 % по состоянию на 2013 год, согласно исследованию [2]).
Современный диспоузер представляет собой цилиндрический корпус (высотой около 30 см, диаметром около 20 см), оснащённый камерой для перемалывания органических отходов и электромотором (рис. 1). В камере предусмотрены вращающиеся диски и стенки-тёрки. Диски перемалывают крупные отходы на более мелкие фракции, тёрки превращают последние в кашицу при отбрасывании их центробежной силой на стенки прибора. Некоторые модели диспоузеров дополнительно имеют диск для резки волокнистых включений.
Рис. 1. Диспоузер (1 — горловина; 2 — резаки; 3 — индукционный двигатель; 4 — износостойкий подшипник; 5 — корпус; 6 — контроллер перегрева двигателя)
Производители сообщают о возможности измельчения диспоузером следующих видов отходов: остатков овощей и фруктов (в том числе их кожуры), рыбных и куриных костей, косточек ягод, зелени и листовых овощей, хлебобулочных и макаронных изделий, круп. Диспоузеры, превращая перечисленные пищевые отходы в кашицу с высокой текучестью, позволяют исключить засорение сифонов кухонных моек, избавляют от образования неприятных запахов на кухне и тем самым повышают удобство пользователей.
Но какова же целесообразность установки диспоузера в системе внутреннего водоотведения здания в контексте обращения с твёрдыми и жидкими коммунальными отходами?
В подавляющем большинстве российских научных публикаций в сфере инженерного обустройства зданий и экологии пропагандируется установка диспоузеров (например, [3–5]), они в широком разнообразии представлены на российском рынке в ценовом диапазоне от 5 тыс. до 80 тыс. руб. В [6] сообщается, что значительная доля вновь строящихся коттеджей элитного сегмента Подмосковья оборудуется диспоузерами при организации селективного сбора мусора и устройстве централизованной канализации. Вместе с тем в российской нормативной документации в сфере строительства и эксплуатации инженерных систем вопрос устройства диспоузеров в системах внутреннего водоотведения жилых зданий не регламентирован. Весьма абстрактно в научной периодике описаны последствия использования данных приборов в отношении сооружений водоотведения.
Целью исследования является теоретическое обоснование влияния диспоузеров, как элементов систем внутреннего водоотведения зданий, на функционирование инфраструктурных сооружений для обращения с твёрдыми коммунальными отходами (ТКО) и наружных систем водоотведения населённого пункта.
Материалы и методы
Аналитический обзор состояния проблемы обращения с твёрдыми коммунальными отходами в российских городах выполнен по материалам интернет-портала «Чистая Москва.рф» [7] и интернет-портала Российского экологического оператора (РЭО) [8]. Расчёт потенциальных объёмов биогаза, получаемого из биогенных отходов, произведён с использованием онлайн-калькуляторов российской компании ООО «АльтЭнерго» [9], европейских компаний Renergon [10] и Biteco [11].
Для оценки влияния диспоузеров на сооружения по обращению с жидкими коммунальными отходами (станции очистки городских сточных вод) выбрана методика количественного определения массы (объёма) образующихся на них осадков [12]. Расход осадка Осух [т/сут.] и избыточного активного ила Исух [т/сут.] по сухому веществу определялся по следующим формулам:
 |
(1) |
 |
(2) |
где С — начальная концентрация взвешенных веществ в сточных водах, поступающих на сооружения механической очистки, мг/л; Э — эффективность работы сооружений механической очистки сточных вод (принята в расчёте 0,6 доли ед. согласно [13]); К — коэффициент, учитывающий возможное увеличение объёма осадка за счёт крупных фракций (принимался равным 1,2); Q — производительность очистных сооружений, м3/сут.; n — коэффициент, учитывающий увеличение и неравномерность прироста активного ила (принимался равным 1,2); A — вынос активного ила из вторичных отстойников (принимался равным 15 мг/л).
Расход беззольного вещества осадка Обз [т/сут.] и избыточного активного ила Ибз [т/сут.] определялся по формулам:
 |
(3) |
 |
(4) |
где Bг и B′г — гигроскопическая влажность сырого осадка и избыточного активного ила, % (принималась равной 5 и 6 %, соответственно); Зос и Зил — зольность сырого осадка и избыточного активного ила, % (принималась равной 27 и 25 %, соответственно).
Расход сырого осадка Qос [м3/сут.] и избыточного активного ила Qил [м3/сут.] по объёму при фактической влажности определялся по формулам:
 |
(5) |
 |
(6) |
где Pос — влажность сырого осадка, % (принимается 93–95 %); Pил — влажность уплотнённого активного ила, % (принимается 96,5–97,5 %); γос и γил — плотности сырого осадка и активного ила, соответственно.
Результаты
Бесспорно, для пользователя удобство эксплуатации диспоузера сводится к минимизации неприятных запахов в помещении, в котором накапливаются отходы (органические отходы загнивают через 12–24 ч при температуре около +20 °C), минимизации частоты выноса мусора в уличные контейнеры для ТКО (или мусоропровод), что в условиях тенденции отказа застройщиков от балконов и лоджий в современных проектах жилых комплексов является весомым преимуществом.
Менее очевидное для пользователей преимущество — экологическое. По официальным данным, пищевые отходы составляют примерно 30 % всего бытового мусора населённого пункта. На полигонах ТКО органические отходы загнивают, выделяя в атмосферу свалочные газы (метан, углекислый газ), а в грунты и подземные воды — болезнетворные бактерии.
По данным ресурса «Чистая Москва.рф», в 2024 году площадь полигонов ТКО в России составила 4 млн га, что сопоставимо с территорией таких стран, как Швейцария или Нидерланды. Ежегодный объём образующихся в России ТКО составляет около 47 млн тонн.
По данным на 2024 год суммарная годовая мощность российских предприятий по компостированию органических отходов составила 3,5 млн тонн, к 2030 году годовую мощность таких объектов Правительством РФ [14] запланировано увеличить до 15,5 млн тонн. Приведённые цифры свидетельствуют о необходимости задействования населения в экологические программы, пропагандирующие раздельный сбор мусора, повышение доли ТКО, пригодных к переработке.
Пищевые отходы при смешении с вторичными ресурсами значительно затрудняют и без того сложный процесс сортировки мусора, снижают качество получаемого в ходе переработки вторичного сырья, а в большинстве случаев вовсе приводят к непригодности пластика, стекла и бумаги к переработке.
Специалисты в сфере ЖКХ утверждают, что оптимальным вариантом снижения объёмов неперерабатываемого мусора является его сортировка непосредственно в местах образования, то есть в домах и квартирах горожан [15, 16]. Согласно зарубежным исследованиям [17], использование диспоузеров позволяет сократить массу ТКО на 25–39 %, сократить их влажность до 50 %, что является не менее важным показателем, поскольку высокая влажность является стимулирующим фактором для гнилостных процессов. Таким образом, диспоузеры способствуют сокращению объёмов ТКО, поддержанию общегосударственного курса на их переработку и, как результат, снижению площадей полигонов и нагрузки на экологию в целом.
Тем не менее при множестве преимуществ диспоузеров следует учитывать устройство действующей в городе системы водоотведения. Первым сдерживающим фактором может явиться принятая для системы городской канализации схема очистки сточных вод и обработки осадка, вторым (не менее важным) — уклоны трубопроводов водоотведения.
Диспоузеры способствуют увеличению концентрации масел и жиров в бытовых сточных водах на 20 %, концентрация взвешенных веществ, БПК5 может быть увеличена более чем в два раза согласно исследованиям [1] (табл. 1).
Табл. 1. Количество загрязняющих веществ в системе водоотведения от одного жителя
| Показатель | Количество вещества в расчёте на одного жителя РФ, г/сут. (без использования диспоузера) | Количество вещества в расчёте на одного жителя Нью-Йорка (США), г/сут. [1] | ||
|---|---|---|---|---|
| по данным СП 32.13330 [18] | по данным ИТС 10‑2019 [19] | фактическое (без использования диспоузера) | прогнозное (с использованием диспоузера) | |
| Взвешенные вещества | 67 | 65 | 32 | 85 |
| БПК5 | 60 | 60 | 28 | 76 |
| Азот аммонийных солей | 8,8 | 10,5 | 4,4 | 6,5 |
| Фосфор фосфатов | 1,0 | 1,5 | 0,64 | 1,1 |
Количество загрязняющих веществ, поступающее в систему водоотведения в расчёте на одного жителя, находит отражение в величинах концентраций этих загрязнений в составе городских сточных вод. По данным производителей, установка диспоузера в доме (квартире) для семьи из четырёх человек приведёт к дополнительному расходу воды всего на 4–5 л/сут., что может свидетельствовать о весомом увеличении концентраций загрязнений в составе городских сточных вод в случае массового использования измельчителей населением. Такое изменение может потребовать модернизации конструкции сооружений механической очистки сточных вод, увеличения аэрационной мощности сооружений биологической очистки, расхода реагентов и электрической энергии.
Органическая часть загрязнений в составе городских сточных вод, в свою очередь, составляет беззольное вещество выделяемых из них осадков, величина которого достигает 70–80 %. Осадок сточных вод требует соответствующей обработки — стабилизации и обезвоживания. Эти мероприятия не менее важны для экологии и санитарного благополучия населения, чем сама очистка сточных вод. С использованием формул (1)–(6) для очистных сооружений водоотведения производительностью 50 тыс. м3/сут. (относящихся к классу «крупные») выполнен расчёт количества образующихся осадков сточных вод по двум условиям:
- Абоненты централизованной системы водоотведения массово не используют диспоузеры (концентрация взвешенных веществ в составе городских сточных вод принята в размере 217 мг/л согласно рекомендациям ИТС 10‑2019 [19] при поступлении 65 г/сут. взвешенных веществ от одного жителя).
- Абоненты характеризуются массовым использованием диспоузеров (концентрация взвешенных веществ в составе городских сточных вод принята равной 283 мг/л. Такая величина получена при поступлении от одного жителя 85 г/сут. взвешенных веществ согласно экспериментальным исследованиям [1]).
Следует отметить, что «Правила холодного водоснабжения и водоотведения», утверждённые Постановлением Правительства Российской Федерации [20], запрещают отведение в централизованную канализацию сточных вод с концентрацией взвешенных веществ и БПК5 более 300 мг/л.
Данные по расходам образующихся осадков сведены в табл. 2.
Табл. 2. Прогнозируемое количество осадков сточных вод на очистных сооружениях
| Расчётная ситуация | Расход сырого осадка по сухому веществу, т/сут. | Расход избыточного активного ила по сухому веществу, т/сут. | Расход беззольного вещества сырого осадка, т/сут. | Расход беззольного вещества избыточного активного ила, т/сут. | Расход сырого осадка, м3/сут. | Расход избыточного активного ила, м3/сут. |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Без массового использования диспоузеров | 7,81 | 4,46 | 5,42 | 3,14 | 130,17 | 148,67 |
| При массовом использовании диспоузеров | 10,19 | 6,04 | 7,07 | 4,26 | 169,83 | 201,33 |
Из данных табл. 2 следует, что увеличение расходов сырых осадков и избыточного активного ила при массовом использовании диспоузеров населением составит 30–35 %. Количество сырого осадка находится в прямой пропорциональной зависимости от величины взвешенных веществ, поступающих в систему водоотведения от одного жителя.
Варианты конечного этапа обращения с осадками могут быть различны и зависят от его позиционирования организацией водопроводно-канализационного хозяйства (ВКХ): осадок — это отход или побочный продукт. Осадки, признанные отходами, обычно подлежат бессрочному размещению на иловых площадках или специальных полигонах. Осадки, позиционируемые побочным продуктом, могут быть использованы для производства удобрений, почвогрунтов (техногрунтов), рекультивантов при соблюдении требований ГОСТ [21, 22]. Наиболее экологичными в настоящее время способами обработки органических осадков сточных вод являются схемы, подразумевающие их анаэробное сбраживание в метантенках (с целью дополнительного получения биогаза), а также биотермическую стабилизацию — компостирование. Для данных способов обращения с осадками увеличение концентрации органики в сточных водах (что характерно при массовом использовании диспоузеров населением) не приводит к негативным последствиям, а напротив, способствует оптимизации технологического процесса.
Наибольший выход биогаза при анаэробном сбраживании осадка сточных вод в метантенках может быть достигнут при концентрации органического вещества 65–90 кг/м3. В [23] сообщается, что выход биогаза зависит также от соотношения углерода к азоту C:N. Так, наибольший объём биогаза можно получить при сбраживании биомассы, в которой C:N составляет от 10 до 20 (у осадка городских сточных вод этот показатель около 11 [24, 25]). Повышение концентрации пищевых отходов в составе осадков сточных вод способствует повышению калорийности сбраживаемой массы. В табл. 3 представлены сведения об объёмах биогаза, получаемого при сбраживании пищевых отходов, пригодных к измельчению диспоузером. Данные получены с применением калькуляторов биогаза.
Табл. 3. Прогнозируемое количество биогаза
| Группа пищевых отходов | Количество биогаза [м3], получаемого анаэробным сбраживанием из 1 т отходов |
|---|---|
| Хлебобулочные изделия | 650 |
| Крупы, каши | 620 |
| Мясные и рыбные остатки | 150–420 |
| Остатки фруктов и овощей | 24–57 |
В работе [26] научно доказано, что первичные осадки, выделяемые на этапе механической очистки городских сточных вод, обеспечивают больший выход биогаза, чем вторичные осадки. Этот факт обусловливает целесообразность повышения барьерной роли сооружений механической очистки в отношении органических примесей в составе сточных вод. Выработка биогаза из осадков сточных вод способствует решению сразу двух задач — экологической и энергетической. Экологическая задача решается получением в процессе метанового брожения безопасного в санитарном отношении продукта — стабилизированного осадка, который может быть использован как органическое удобрение. Энергетическая задача решается получением возобновляемого (и при этом дешёвого) источника энергии. Освоение возобновляемых источников энергии позволяет снизить потребление ископаемых углеводородов из недр земли, уменьшить концентрацию углекислоты в атмосфере. В России получение биогаза из осадка сточных вод реализуется на канализационных очистных сооружениях Москвы, Екатеринбурга и Иваново.
Экологичным способом утилизации органических отходов, таких как осадки городских сточных вод, является компостирование. Компостирование — биологический процесс, в ходе которого микро‑ и макрофлорой, микро‑ и макрофауной органические вещества преобразуются в стабильное органическое удобрение. Для оптимального компостирования отношение C:N должно находиться в интервале от 20 до 40 [27, 28]. Повысить долю углерода в компостируемой массе можно внесением природных углеродсодержащих отходов — древесной щепы, опилок, сухой листвы, соломы. Готовый компост находит широкое применение в городском озеленении и сельском хозяйстве.
В том случае, если организация ВКХ позиционирует осадок как отход, увеличение взвешенных веществ в составе городских сточных вод будет приводить к увеличению объёмов выделяемых из них осадков, которые неминуемо потребуют дополнительных площадей земельных территорий для их размещения (захоронения). Такие территории неблагоприятны в санитарном отношении, вызывают социальные проблемы ввиду неприятных запахов, большого количества обитающих в таких зонах насекомых.
Вторым сдерживающим фактором для устройства диспоузеров, как обозначалось выше, могут стать гидравлические характеристики наружной водоотводящей сети. Так, при уклонах трубопроводов, не обеспечивающих самоочищение в результате недостаточности скоростей течения сточных вод, в лотках могут накапливаться осадки, приводящие к заиливанию труб. Отложения в трубах могут способствовать выходу на дневную поверхность из колодцев неприятных запахов, интенсификации газовой и биологической коррозии железобетонных трубопроводов и колодцев. Такие проблемы могут быть свойственны начальным участкам дворовых, уличных сетей канализации ввиду малого расхода бытовых сточных вод при обеспечении допустимых диаметров труб. Неблагоприятны в контексте рассматриваемой проблемы и населённые пункты с равнинным рельефом, сложными геологическими условиями — высоким уровнем грунтовых вод. В подобных условиях проектировщики водоотводящей сети, как правило, придерживаются принципа минимизации уклонов трубопроводов при соблюдении скоростей течения сточных вод, близких к нижним допустимым пределам, поскольку такие меры позволяют значительно сократить число канализационных насосных станций на сети водоотведения и, как следствие, сделать систему более экономичной.
Выводы
Обобщая представленную выше информацию в отношении целесообразности использования диспоузеров в системах внутреннего водоотведения зданий, можно сделать следующие выводы:
- Диспоузеры способствуют становлению альтернативных вариантов утилизации пищевых отходов населения, а значит, имеют большой экологический потенциал. При этом проблему обращения с ТКО необходимо решать с учётом действующей в населённом пункте системы водоотведения.
- Преимущества пользователей диспоузерами состоят в предотвращении засорения сифона сантехнического прибора, минимизации образования неприятных запахов в помещении хранения отходов.
- Эксплуатация диспоузеров на постоянной основе большей частью населения города, несомненно, приводит к увеличению концентрации органических загрязнений в составе бытовых сточных вод. Необходимо учитывать увеличение нагрузки на очистные сооружения по взвешенным веществам, жирам, БПК и ХПК, что может потребовать их модернизации. Расчётом установлено увеличение объёма сырого осадка и избыточного активного ила на 30–35 %.
- Внедрение диспоузеров в системы водоотведения целесообразно для городов, очистные сооружения канализации которых предусматривают технологию получения биогаза из осадка или позиционируют его как сырьё для получения компоста (удобрений), почвогрунтов.
- Со стороны эксплуатирующих водоотводящие сети организаций массовое использование диспоузеров населением может потребовать увеличения частоты прочисток (промывок) трубопроводов с целью ликвидации илистых отложений. Особую актуальность этот факт имеет в отношении участков сетей с малыми расходами сточных вод, а также проложенных с минимальными уклонами.
