Инновационные технологии обращения с твердыми коммунальными отходами: путь к экономической безопасности

Введение

Проблема обращения с твердыми коммунальными отходами остаётся остро стоящей во многих странах, включая Российскую Федерацию. Согласно Федеральному закону от 24.06.1998 № 89-ФЗ "Об отходах производства и потребления" термин «Твердые коммунальные отходы» (далее – ТКО) подразумевает под собой отходы, которые образуются в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами, а также товары, которые утратили свои потребительские свойства в процессе их использования физическими лицами в жилых помещениях, а также отходы, образующиеся в процессе деятельности юридических лиц и индивидуальных предпринимателей [10].

Воздействие отходов на климат, окружающую среду и здоровье человека — это прежде всего угроза экономической безопасности страны, которую преодолеть без внедрения современных инновационных технологий становится невозможным. Управление ТКО является неотъемлемой частью городского планирования и включает в себя различные методы обработки отходов, образующихся в результате антропогенного воздействия. Проведение различных мероприятий и процедур управления ТКО ориентировано на защиту здоровья населения, снижение уровня загрязнения окружающей среды и сохранение природных ресурсов. Для количественной оценки эффективности мер по снижению ресурсоемкости и энергоемкости экономики используется индекс декаплинга (DI) [7;17].

Внедрение и реализация концепции циркулярной экономики невозможно без применения технологий Индустрии 4.0. Четвертая промышленная революция или индустрия 4.0 является новым этапом развития экономики, основанным на применении нанотехнологий, облачных вычислений, автономных роботизированных систем и искусственного интеллекта [8]. Ключевые технологии Индустрии 4.0 в системе обращения с отходами применяются в 3 направлениях цифровом (внедрение ИИ, цифровых систем), материальном (аддитивное производство, 3D-печать, роботизация), биологическом (получение биотоплива и энергии из отходов). Однако наибольший интерес со стороны бизнес-сообщества и государства направлен на реализацию цифровых технологий как наиболее доступных. Реорганизация системы обращения с твердыми коммунальными отходами в рамках концепции Индустрии 4.0. включает внедрение систем машинного зрения, полную или частичную роботизацию процессов сепарации ТКО, внедрение технологии интернет вещей, внедрение киберфизических систем, использование систем искусственного интеллекта при обращении с ТКО [2;4;6].

Перспективы применения систем искусственного интеллекта в сфере обращения с ТКО

Под искусственным интеллектом принято понимать совокупность интеллектуальных систем, способных выполнять различные функции в автоматическом режиме без участия человека. Наибольшую применимость в сфере обращения с ТКО получили системы машинного обучения, компьютерного зрения и искусственный интеллект [1]. Технологии на основе искусственного интеллекта, такие как интеллектуальные мусорные баки, роботы-сортировщики, прогнозные модели и системы беспроводной идентификации, позволяют отслеживать состояние мусорных баков, прогнозировать сбор отходов и оптимизировать работу предприятий по переработке отходов (рисунок 1).

Рис.1. Применение систем искусственного интеллекта в сфере обращения с твердыми коммунальными отходами

Источник: составлено авторами по материалам [22]

Стремительное развитие инновационных технологий, внедрение систем искусственного интеллекта и технологии интернета вещей влечет за собой создание оптимизационных методов по обращению с твердыми коммунальными отходами, и их внедрение в данную отрасль способно обеспечить соблюдение норм и стандартов управления отходами, регламентированных правительствами, а также модернизировать обращение с ТКО, способствуя разрешению текущих экологических проблем. Разработка и внедрение инновационных проектов в сфере обращения с ТКО проходят по направлениям:

· Системы интеллектуального контроля мусорных контейнеров;

· Системы автоматизированной сортировки отходов;

· Системы автоматизированного подземного накопления и удаления отходов;

· Системы планирования и прогнозирования процессов накопления и транспортировки ТКО;

· Системы удаленного мониторинга объектов инфраструктуры с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Согласно исследованиям, использование искусственного интеллекта в сфере транспортировки ТКО позволяет сократить совокупную протяженность маршрутов на 37 %, время транспортировки на 29% и сократить на 14 % общие финансовые затраты на логистику. Эффективность применения систем ИИ в сортировке отходов может достигать 99%. Искусственный интеллект уже активно применяется в развитых стран, в том числе в Германии, США, Великобритании, Японии и позволяет максимально оптимизировать процессы на протяжении всего цикла обращения с твердыми коммунальными отходами [22].

Управление контейнерами для сбора и накопления ТКО и мониторинг их состояния

Различные информационно-коммуникационные технологии такие как, географическая информационная система, RFID, GPS и датчики, используются для улучшения управления сбора ТКО, планирования маршрутов и мониторинга состояния контейнеров. Перечисленные в таблице 1 технологии способствуют оптимизации сбора отходов за счет мониторинга уровня заполнения контейнеров, выявления критических зон с переполненными или незаполненными контейнерами и снижению эксплуатационных расходов. Передовые методы, включая генетические алгоритмы и моделирование, способствуют эффективному планированию процессов обработки отходов [19].

Таблица 1

Применение искусственного интеллекта в сфере управления отходами

Принцип функционирования системы сборы информации о заполненности баков основан на получении данных от датчиков наполненности контейнеров и передача в режиме реального времени данных на центральный сервер. В данной системе применяются датчики основанные на GSM методе передачи данных. Местоположение мусорного бака определяется спутниковой системой навигации (GPS), и когда мусорный бак заполняется на 90%, сообщение передается соответствующему органу по GSM. С достижением порогового уровня количества мусора информация передаётся на облачный сервер, на основании полученных данных о наполненности контейнеров составляет оптимальный маршрут вывоза ТКО [9].

Технология радиочастотной идентификации (RFID) позволяет эффективно и в режиме реального времени отслеживать отходы, предоставляя данные об их количестве и типе. RFID (радиочастотная идентификация) в управлении отходами — это технология, которая использует радиоволны для идентификации и отслеживания контейнеров или мусорных баков. К контейнерам прикрепляются RFID-метки, а по пути вывоза мусора в различных точках устанавливаются RFID-считыватели. В настоящее время RFID метки стали активно использоваться для санкционированного доступа к контейнерным площадкам многоквартирных домов с целью предотвращения несанкционированного накопления отходов с различных объектов инфраструктуры [15].

Геоинформационные системы интегрируют и объединяют совокупность информации обо всех объектах обращения с отходами. Географическая информационная система (ГИС) является инструментом для определения оптимальных расстояний и кратчайших маршрутов сбора и утилизации отходов. ГИС-технологии также активно применяются при выборе места размещения полигонов ТКО и для идентификации несанкционированных свалок [12].

Внедрение подобных систем позволяет оптимизировать маршрутные карты передвижения мусоровозов, снизить эксплуатационные затраты на топливо и обслуживание техники, обеспечить своевременный вывоз ТКО с контейнерных площадок и соблюдение санитарных норм [20].

Автоматизированная сортировка отходов

Вторым этапом системы обращения с ТКО после сбора является сортировка, или разделение различных типов отходов для дальнейшей переработки. Новейшие автоматические технологии сортировки бытовых отходов включают оптическую сортировку, вихретоковую сортировку, многокамерные контейнеры и технологии сортировки на основе оптических датчиков.

Сортировка отходов происходит на этапе первичного сбора, когда отходы сортирует население и сортировка на специализированных станциях, где происходит фракционное разделение смешанных отходов. Инновационными разработками, применяемыми на этапе первичного сбора, являются фандоматы и урны с автоматической сортировкой по фракциям. Фандоматы специализируются на сборе от населения определенных фракций отходов (пластик, текстиль, бумага).

Наиболее инновационной разработкой в сфере сортировки отходов на этапе сборки являются урны с автоматической сортировкой по фракциям. Данные системы представляют собой мусорные баки, которые работают основе искусственного интеллекта. Они автоматически сортирует и сжимает отходы, контролируют уровень заполнения. Самыми известными компания, специализирующимися на разработке интеллектуальных баков являются Bin-e и SmartCity Bin, оборудование последней размещено в жилых комплексах и торговых центрах г. Москва. Контейнеры для сбора отходов с интеллектуальными возможностями играют решающую роль в современных городских ландшафтах, формируя неотъемлемые компоненты эффективной и устойчивой практики обращения с отходами во всем мире [24]. Благодаря внедрению умных контейнеров и системы датчиков возможно функционирование технологии интернета. Системы на базе Интернета вещей повышают эффективность сбора отходов и уменьшают переполнение контейнеров. Сочетание умных контейнеров с Интернетом вещей и передовых алгоритмов улучшает маршрутизацию и оптимизацию ресурсов, превосходя традиционные методы с точки зрения экономической эффективности и экологической устойчивости.

Методы автоматизированной сортировки отходов, реализуемые на сортировочных станциях, можно разделить на два типа: прямая и непрямая сортировка. Методы прямой сортировки основаны на использовании свойств материала путем применения магнитного поля, вихревых токов и силы тяжести в качестве внешних полей, в то время как при непрямой сортировке используются датчики для определения наличия в отходах материалов, пригодных для вторичной переработки.

Различные виды пластика и других отходов сортируются с помощью, светочувствительных камер, УФ-сенсоров и инфракрасной спектроскопии. Оптические методы сортировки являются относительно простыми и используют светочувствительные датчики для работы. Они включают в себя обработку цвета и формы и позволяют установить класс материала для дальнейшего отнесения к определенной категории отхода. Оптические системы сортировки используют видимый свет для разделения материалов по цвету и используют черно-белые камеры для цветовой дифференциации, оптические сканеры активно используются для сортировки пластика. Автоматизированные системы сортировки используют систему обнаружения или комбинацию систем обнаружения для идентификации различных типов пластика, пригодного для вторичной переработки, и эти системы обнаружения позволяют автоматически сортировать пластик по типу смолы, форме, цвету или по тому и другому.

Метод инфракрасной спектроскопии основан на пропускании через образец мусора волны разной частоты, при пропускании происходит возбуждение колебательных движений молекул, при этом происходит поглощение света и для разных молекул максимальное поглощение достигается на разных частотах света. При сопоставлении частоты можно установить состав материала и отнести его к конкретной категории отходов [1].

Современные сортировочные предприятия переходят на системы сортировки на основе датчиков для повышения эффективности сортировки. Данная технология преимущественно тем, что обладает высокой степенью утилизации, низкими эксплуатационными расходами и высокой способностью к реорганизации.

Подземная система сбора ТКО

В больших городах активно внедряются подземные и полуподземные системы накопления ТКО. Они включают в себя пластиковые контейнеры, размещенные в котловане глубиной 2-3 м с единственным выходом в окружающую среду, система подземного накопления представлена на рисунке 2.

Использование подземной системы сбора способствует улучшению условий жизни в городских районах, а также предоставляет возможность использовать наземные поверхности для других целей. Подземная система сбора ТКО имеет преимущества в регионах с чрезвычайно жаркими климатическими условиями, поскольку отходы будут храниться под землей при относительно низкой температуре, а сама технология требует меньшего технического обслуживания.

Рис.2. Система подземного хранения ТКО

Источник: составлено авторами

Автоматическая система вакуумного удаления отходов

Автоматическая система вакуумного удаления отходов — АСВУО это система, состоящая из сети подземных труб, по которым отходы из контейнеров с помощью потока воздуха перемещаются в герметичные пункты накопления, откуда их забирает специализированный транспорт. Использование замкнутой системы транспортировки отходов позволяет исключить неприятные запахи, отказаться от больших контейнерных площадок на придомовой территории и исключить движение мусоровозов по жилому сектору [1].

Первый подобный проект запущен в столичном районе Рублево-Архангельское в рамках жилого комплекса СберСити при поддержке Публично-правовой компании "Российский экологический оператор. В каждом квартале будут размещены технологичные инлеты — устройства для приёма пластика, бумаги и смешанных отходов. Люк инлета автоматически открывается ключом-картой жителя. Инлеты соединены с подземным трубопроводом. В автоматизированном режиме с помощью потоков воздуха отходы отправляются на одну из четырёх станций сбора отходов. Каждый тип отходов автоматически попадает в свой герметичный контейнер и спрессовывается. Пропускная способность запланированной системы оценивается в 80 тонн ТКО в сутки.

Финансирование проектов

Разработка и широкое внедрение инновационных технологий требует большого финансирования, однако по ряду причин не все проекты могут быть обеспечены за счет государственного бюджета. Развитие и финансирование системы обращения с ТКО реализуется в рамках федерального проекта «Комплексная система обращения с твердыми коммунальными отходами» в рамках национального проекта Экология. Согласно паспорту национального проекта, финансирование направления развития системы обращения с ТКО составило 305 млрд. р., из которых 105 млрд. р. федеральных бюджетных средств и 200 млрд. р. из внебюджетных источников [11]. Оказанием финансовых мер поддержки проектов в сфере обращения с ТКО занимается публично-правовая компания «Российский экологический оператор». Основные направления финансирования отражают наибольший фокус на создание и модернизацию объектов обработки, захоронения, утилизации ТКО [13].

Наряду с ППК РЭО поддержкой инновационных разработок в сфере обращения с отходами занимается фонд МИК (Московский инновационный кластер). На сайте фонда представлен каталог инновационных решений по 20 направлениям. В настоящее время в разделе управление отходами представлено 73 инновационных решения [5]. Основной фокус инновационных решений направлен на разработку интеллектуальных мусорных контейнеров, систем автоматизации логистики отходов, систем машинного зрения для сортировки отходов, систем подземного складирования и удаления отходов.

Совместно с ППК РЭО поддержкой и развитием инновационных проектов в сфере обращения с отходами занимается инновационный центр «Сколково». На базе научного центра сформировано единое пространство для развития современных технологий с применением средств цифровизации, искусственного интеллекта. Перспективные компании получают статус участника проекта «Сколково», который предоставляет доступ к передовым средствам ведения исследовательской деятельности и дальнейшего внедрения результатов деятельности. Научный центр «Сколково» также осуществляет и финансирование наиболее перспективных проектов посредством грантов и программы возмещения инвестиций. Размер финансирования проекта на всех этапах жизненного цикла варьируется в диапазоне от 100 тыс. р. до 10 млн. р.

Проекты внедрения инновационных технологий в сфере ТКО в России.

Инновации в любой отрасли это в первую очередь цифровизация, ППК РЭО осуществляет деятельность по цифровизации рабочих процессов, связанных с обращением с ТКО. В настоящее время под руководством ППК РЭО были запущены следующие цифровые проекты:

· ЭТП Электронная торговая площадка для покупки\продажи вторичного сырья

· АПРО «Автоматизация процессов регионального оператора»

· РЭО Облеты Воздушное лазерное сканирование объектов размещения ТКО

· Уберу РЭО приложение для поиска пунктов приема вторсырья, вызова экотакси, участия в различных просветительских мероприятиях.

· «Цифровой РЭО» информационная платформа с лучшими цифровыми проектами в области обращения с отходами.

В рамках проекта Цифровой РЭО разработан реестр it разработок и решений в области экологического мониторинга, экономики замкнутого цикла и обращения с отходами [3]. Данный реестр является открытым источником проверенных экспертами контрагентов и их цифровых продуктов. На 2024 год наиболее перспективными цифровыми решениями признаны:

· АИС «Отходы»-комплекс цифровых решений для обращения с отходами.

· AXIOMA система мониторинга параметров предприятия в реальном времени;

· Skyeer IT- сервис для анализа, визуализации и каталогизации данных, полученный посредством БПЛА;

· SmartRO -комплекс программных продуктов, контроля за обращением с ТКО;

· Информационно-аналитическая система экологического менеджмента (ИАС ЭМ)

· ЭкоПлатформа-программное решение для оптимизации формирования экологической отчетности предприятия;

· WINGSBEE- программное обеспечение для распознавания и сортировки отходов;

· ООО «РадиоТех»- комплекс цифровых решений по контролю заполненности мусорных контейнеров, мусоровозов, система контроля состояния полигонов ТКО;

· Ecopoint-автоматизированный пункт приема и сортировки вторсырья;

· "Стройотходы"- программно-аппаратный комплекс по контролю сбора и транспортировке строительных отходов;

· Neural Processing Server-интеллектуальная система обработки данных;

· Etton-программное обеспечение для оптимизации логистики ТКО на основе искусственного интеллекта.

Зарубежный опыт внедрения инновационных технологий в систему обращения с ТКО

Зарубежные компании и муниципалитеты проводят активную интеграцию механизмов интеллектуального управления в систему обращения с отходами. На данный момент активная работа ведется по следующим направлениям:

· Разработка и внедрение цифровых платформ управления отходами на основе ИИ;

· Оснащение пунктов сбора отходов интеллектуальными мусорными баками;

· Разработка мусорных баков с автоматической сортировкой смешанных отходов;

· Установка фандоматов для автоматического приема вторсырья;

· Роботизированная сепарация отходов с применением машинного зрения;

· Использование блокчейн технологии для отслеживания движения отходов на всех этапах жизненного цикла [1; 20].

В настоящее время наибольшее развитие в европейских странах получила технология интернета вещей (IoT) [20]. Основой функционирования данной системы являются мусорные баки с датчиками объема, местоположения и температуры. В настоящее время на территории европейских странах функционирует более 20 компаний-разработчиков интеллектуальных датчиков для мусорных контейнеров, среди которых наиболее крупными являются Bin-e, Binology, Sensoneo, Guardforce, BigbellyInc, EcubeLabs, Plaex, Enevo. На 2023 на территории европейских стран установлено более 400 тыс. баков с системой интеллектуальных датчиков, наибольшее количество приходится на долю Германии, Великобритании, Швеции, Бельгии [23;16]

Заключение

В ходе изучения и мета-анализа инновационных технологий, используемых в отрасли обращения с твердыми коммунальными отходами, были выделены ключевые технологии и инструменты, применяемые на различных этапах управления ТКО. Внедрение этих инновационных решений не только способствует эффективной утилизации отходов, но и играет важную роль в обеспечении экономической безопасности. Эффективное управление отходами напрямую связано с сохранением ресурсов и снижением негативного воздействия на окружающую среду, что в свою очередь способствует устойчивому развитию общества. Будущие исследования должны сосредоточиться на преодолении существующих проблем в области обращения с ТКО, расширении использования инновационных технологий и поощрении междисциплинарного сотрудничества. Применение современных технологических инструментов, программного обеспечения и моделей программирования позволяет оптимизировать функционирование технологического цикла отходов. В сочетании с внедряемыми биотехнологиями и инженерными решениями, это создаст предпосылки для ускоренного перехода к экономике замкнутого цикла, где отходы становятся ценным ресурсом, а не бременем для общества. Таким образом, интеграция инновационных подходов в управление ТКО будет способствовать не только экологической устойчивости, но и экономической безопасности на всех уровнях.