Подземно-наземный комплекс по управлению отходами

Начало четвёртой промышленной революции ставит вопросы совместимости техносферы, социума и природы. Законом № 89-ФЗ с 1 января 2019 года введены новые правила обращения с ТКО – твердыми коммунальными отходами. С целью снижения нагрузки на окружающую среду подход к складированию, вторичной переработке и захоронению ТКО меняется в корне.

В России ежегодно образуется более 5 млрд т отходов. Из них твердые коммунальные отходы – более 50 млн т. Перерабатывается менее 50 %. Объем накопленных отходов (более 39 млрд т) негативно влияет на качество жизни, отравляя биосферу [1].

Проблема захоронения или переработки твердых бытовых отходов, отвалов шлака, других ядовитых отходов успешно решается в Европе, например в Германии. Отходы изолируются и перерабатываются без соприкосновения с окружающей средой. Изоляция и резервация ядовитых отходов должна быть надежна и гарантированна.

В Германии от широкого использования полигонов отказались в 2005 году. В 2014 году из 300 существовавших полигонов лишь половина продолжает работать в ограниченном режиме, в основном для утилизации отходов горнодобы- вающих и металлургических предприятий (данные Федерального ведомства по охране окружающей среды).

Новейшая технология фирмы ВАSF называется ChemCycling. Она заключается в том, что использованный пластик подвергают воздействию высоких температур – около 800 градусов по Цельсию. На выходе образуется этилен и пропилен, которые затем могут использоваться для производства газа или масел, а уже из этих веществ изготавливают новые пластиковые предметы. Первая партия опробована в октябре 2018 года на заводе в Людвигсхафене. В качестве следующего шага BASF планирует сделать продукты из пластика, согласовывая технологические и нормативные условия.

В Швейцарии завод Immark извлекает золото и серебро из мусора и представляет собой один из самых успешных примеров использования отходов как неисчерпаемого источника прибыли. Системы сортировки, переработки и очистки позволяют добывать килограммы золота и серебра, тонны железа и алюминия из отслужившей техники.

В Швеции один из самых высоких показателей в мире по утилизации бытовых отходов – около 99 %. Половина отходов идет на повторное использование и вторичную переработку. Другая часть отходов после тщательной сортировки сжигается для получения энергии.

В Японии измельченные промышленные отходы используются для строительства дорог. Для возведения новых магистралей используют переработанное стекло. Строится остров из мусора, который планируется задействовать в проведении Олимпийских игр 2020 года.

Исследования показали, что деятельность многих промышленных предприятий России направлено исключительно на скорейшее получение прибыли и изначально не прорабатывает весь алгоритм биосферно-совместимых действий. Более того, получение прибыли предприятием зачастую обеспечивается использованием устаревших технологий, реализация которых ведет к деградации окружающей среды и губительно сказывается на здоровье граждан России [2].

Предлагаемые подходы могут быть успешно реализованы на Томинском месторождении меднопорфировых руд в Челябинской области – одном из крупнейших медных месторождений в России. Международная независимая аналитическая консультационная группа CRV отмечает, что месторождение включено в 50 крупнейших месторождений мира. Томинское месторождение содержит медь, золото, серебро. Содержание металлов в руде – самое низкое в России, поэтому для эффективной работы потребуются большие объемы переработки. Эксплуатационные запасы руды на месторождении достигают 491 млн тонн. Планируемая производительность – до 28 млн тонн медной руды в год. В результате будет производиться до 264 тысяч тонн медного концентрата.

Устаревшими представляются предлагаемые способы захоронения отходов обогащения руды, весьма агрессивных по отношению к окружающей среде. Данные отходы должны быть надежно изолированы и захоронены (резервированы) [3]. Что значит изолировать и резервировать? Это значит, что для отходов должны быть возведены спец-сооружения, резервуары, обеспечивающие стопроцентную изоляцию от биосферы. Такое решение позволяет гарантировать долгосрочное хранение и возможность в дальнейшем вторичной переработки отходов. Данные резервуары, сооружения должны гарантированно эксплуатироваться 100– 300 лет без разрушения, сохранять надежность при техногенном или природном воздействии. Наиболее эффективным решением является создание подземных сооружений новым способом, отличным от традиционных [4–6].

Описание нового способа

Данный способ относится к области возведения многоэтажных подземных сооружений различного назначения открытым способом и может использоваться в промышленном и гражданском строительстве. Основанием данной технологии является запатентованный способ опускающегося бетона [7, 8]. Под указанным способом понимается бетонная технология, противоположная методу скользящей опалубки, основанная на более полном использовании гравитационной составляющей усилий (рис. 1).

Опалубочная система представляет собой два вертикальных щита с минимальным уширением внизу (под конус). Вертикальные щиты неподвижны. Находящийся между ними горизонтальный щит опускается или поднимается под действием гидродомкратов. Горизонтальный щит соединен с механизмами подъема или опускания посредством металлических вертикальных стержней или тросов.

Процесс осуществляется следующим образом: в исходном состоянии горизонтальный щит опущен относительно верха вертикальных щитов на 30–50 см. Композитный материал (бетонная смесь) подается в опалубочную систему, где укладывается в пространство между горизонтальной и верти-

Рис. 1. Способ опускающегося бетона (патент № 2566540)

кальной палубой. Между системой «бетон– палуба» находится полимерная пленка, которая перемещается вместе со смесью вниз. Этим снижаются силы сцепления, а удельное трение между пленкой и вертикальной палубой невелико. Первый слой композитной смеси набирает минимальную прочность при воздействии внутренних и внешних факторов.

Горизонтальный щит опускается при помощи гидродомкратов вместе с первым слоем вниз на расстояние 30–50 см. Затем на первый слой укладывается второй слой и, набирая прочность, опускается. Укладывается третий слой и опускается, и т. д. Постепенно первый и последующие слои нисходят ниже предела вертикальных щитов и т. д.

Способ строительства подземного многоэтажного сооружения, комплекса (рис. 2) имеет своей основой метод опускающегося бетона [8, 9].

На рабочей площадке производится горизонтальная планировка с обратной засыпкой несжимаемым грунтом. В определенных проектом местах бурятся вертикальные скважины на глубину до 150 м, которые обсажены стальными трубами, про-армированы и забетонированы композитным бетоном высокой прочности. Данные сваи будут являться колоннами будущего подземного сооружения. Сверху на определенной технологической высоте колонн закрепляется и монтируется рабочая площадка, на которой находится грузоподъемное оборудование – гидродомкраты для опускания груза, ниже – опалубочная система. Немного уступая в диаметре сооружения, на горизонтально подготовленной площадке армируются и бетонируются по всей площади плиты перекрытия расчетной толщины, по две плиты – одна над другой. В дальнейшем после опускания они являются этажными перекрытиями подземного сооружения. Данные плиты перекрытия закреплены на колоннах-сваях и одновременно подвешиваются к гидродомкратам.

Способом опускающегося бетона изготавливаются и опускаются стены к нижней плите и закрепляются. Под нижней плитой вынимается грунтовая масса на глубину 6 м и перемещается с помощью ленточного транспортера (или другим способом) наружу. Во время проектноизыскательских работ тщательно изучается гидрогеологический массив в объеме 3D и предварительно временно купируются все опасные гидрогеологические воздействия (цементация, глинизация, силикатизация, смолизация или замораживание). Дополнительно начинается управление внешней гидрогеологической сферой путем искусственного перенаправления подземных гидропотоков, а также устройства вертикальных анкеров с затяжками и затем горизонтальных грунтовых анкеров. Последние будут связаны между собой гибкой прочной связью (трос, сетка) для закрепления «потревоженной» геосферы.

Особо подчеркнем, что геомассив в пределах воздействия на сооружение мы рассматриваем не как «враждебный» и воздействующий давлением и грунтовыми водами на подземный комплекс, а как изученный и временно управляемый [10–13].

Такой подход предлагается, например, для освоения подземного пространства Санкт-Петербурга, где изученность территории позволяет сделать инженерно-геологические 3D-карты по каждому кварталу города. Это даст возможность строить подземные сооружения на глубину до 50 м [14, 15].

Одной из особенностей технологии является

• 1.    Гидродомкрат

• 2.    Рабочая площадка

• 3.    Металлический стержень

• 4.    Пакет из двух плит

• 5.    Колонна (свая)

• 6.    Железобетонная оболочка

• 7.    Резино-стальная подушка

• 8.    Плита перекрытия

• 9.    Металлические связи

• 10-    Винтовые металлические анкера

Рис. 2. Способ строительства подземного многоэтажного сооружения (патент № 2604098)

то, что на в не шн ие в е рти к а л ьные с тены на в е ш иваются резино-с та л ь ные под у шк и, на ка чен ные газ ом с рол ика м и для лу ч ше го с кол ь ж е н ия в н из . П од уш ки у п равл яе м ые и при вибра ц ии гр у н та у в е л и ч ив а ю тся и ли ум е нь ша ютс я в объ е м е . Их функция – пог л ощен и е с е йсм иче с кого в оз де йствия на б ето н н у ю об о л очку с оору ж ения и п редотвра щ е н ие от обр у ше н ия с те н ок в ыем ки.

В с те нк и котл ов ана под у г лом 25 –30 градусов о т гориз онта ус тра и в аю тс я гр ун тов ые а нке ры д л иной от 10 до 50 м (а нке ры с в оим и корням и в ы хо дят з а п р и з м у о б р уше н ия гру нт а). С пом ощью о г ол ов ков а н керов з акре пля е м гр ун т п ротив обрушения – э то в ре м е н на я в е рти ка л ь на я сис те м а кр е пл ени я. Н а ч ин ае м од нов ре м е нно оп у с кать на г л убину 3–6 м в не шню ю бе то н ну ю об ол очку и ниж нюю п л и ту пе ре крыти я. На прое кт ной отм е т ке за кре пляе м к м е та лличе с к и м кол онна м плит у п ерекрытия и бетонную стену. В тора я плита пе р е кры ти я оп уска е тся на м е с то ни ж ней. За те м на не й бе тон ир уе тс я с л е д у ющая плита пе рекрыти я, а ни ж н яя з акрепл ена к в не ш н е й бе то нн ой обо л очке . Да л е е под в е рхним эта ж ом в ыним а е тся гр ун т, з а креп ляютс я с тены гр ун тов ы м и а нке ра м и [16, 17].

Формируя внешнюю оболочку способом опускающегося бетона, начинаем опускать вместе с первым этажом следующий этаж. Дополнительно для связи колонн между этажными плитами перекрытия вводим устройство – «скользящие металлические связи» (горизонтальные и вертикальные). Эти связи перемещаются при необходимости для устойчивости колонн. При окончании процесса первая нижняя плита будет находиться в основании комплекса. Данные комплексы могут применяться в промышленном и гражданском строительстве [18, 19], например, сооружения горно-химического комбината в городе Железногорске (Красноярск-26), которые размещены под землей. По этому поводу известно мнение академика А.Д. Сахарова о том, что «будущее – за подземными атомными электростанциями», не наносящими вреда биосфере и являющимися самыми экологически чистыми по способу добычи электроэнергии [20]. В ЮУрГУ запатентован «Подземный ядерно-энергетический комплекс» (патент РФ № 2510088). Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных отходов и может использоваться в энергетике [21].

Применение нового способа строительства

Один из вариантов применения – это строительство подземно-наземных комплексов по управлению отходами с функциями сортировки, переработки, сжигания и утилизации ядовитых отходов. Данный комплекс должен перерабатывать твердые коммунальные отходы для города населением более одного миллиона человек, работая практически круглосуточно.

Основой технологии строительства являются патенты на изобретение: (патент № 2566540 «Способ опускающегося бетона») и (патент № 2604098 «Способ строительства подземного многоэтажного сооружения»). Технология является инновационной. Трудозатраты значительно снижаются при сравнительных характеристиках с передовой технологией Top-Down, с глубины более 25 метров.

Данный комплекс состоит из надземной и подземной части. Надземная часть представляет собой сооружение системы «Линдаб-Астрон» (рис. 3). Это металлокаркас размерами 100×100 м и высотой 9 м, со стеновым и кровельным покрытием из сэндвич-панелей.

Зона склодироСения

Lf скоЬснных cnicriafi

ПроизбодстЬенно -складская зоне

охенерюго оборидоСймиЯ

А^инистратиСно -дытобая зоне

_ Зое приема iwrotCx ЗТхЗоб

Рис. 3. Надземная часть комплекса переработки отходов

В н утренн ее прос тра нс тв о п оде л е но на з оны :

• 1 )    з она при ём а бы тов ых от х одов с шах т ным и бу н ке рам и, дл я при ем а от ходов из а втомусоровозов (в час – 1 6 м ус оров оз ов , в с у тк и – 384 мусоровоза);

• 2)    зона и н ж ене рного обор у дов а н ия (очистка , вентиляция, рекуперация);

• 3)    производственно- ск л а дс к а я з она (эне ргохозяйство и т. д.);

• 4 )    з она с кл адиров ания у паков а н ных , пре с сов ан н ы х от х одов п л оща дью 5500 кв . м дл я прод ажи на пе рера ботк у (с тре хдне вн ым з а па с ом х ра не ни я);

• 5 )    а дм ин ис тра т ивно бы тов а я з она (офис ы, слу ж е б ные и бы тов ые пом еще ни я).

В на дз е м ной ча с т и не т технол огиче ски х оп ер а ц ий по пе ре ра ботке ( к р ом е приё м ки и отп равк и о т х одов ). Н а дз е м ная ча с ть яв ляе тс я «бел ым» произ в одс тв ом , которое не в лияе т на окр у ж а ющ у ю био с фе р у, экол ог иче с к и не й тра л ьна и не на р у ша е т ал гори тм а би осфе рно й с ов м е с тим ос ти. Подз е м на я часть – это бетон ны й ц или ндр д иа м е тром 50 м и глу би ной 60 м (рис . 4 ). С те ны и осн ов ан и е п о л ностью ра з де ляют тех нос фе р у ком пл екс а от ге ос феры. Это соблюдается при зе м л е тряс е н и и или техноге н ном в озд е йс тв и и . Г а ра нт ир уе тся экс п луатация комплекса в течение 100– 3 0 0 л е т.

Этажи с 1-го по 6-й подземного комплекса – это зоны переработки и упаковки отходов (рис. 5). При загрузке в шахты происходит опускание первичных отходов на первый этаж, где установлено 4 ряда технологического оборудования, которое разрыхляет и отделяет от общей массы крупногабаритные элементы посредством механического и пневматического оборудования, а также разделяет материал по крупности на три фракции, спуская их ниже. Каждый ряд технологического оборудования независим друг от друга. Опускание разделенных фракций от всех 4 линий производится на 2-й этаж, фракции с первой линии остаются на 2-м этаже, а фракции со 2-й, 3-й, 4-й линии уходят по конвейерным линиям, расположенным под потолком, в сторону, где в свою очередь опускаются вертикально вниз, каждая на свой этаж. Вторая линия опускает на 3-й этаж, третья линия опускает на 4-й этаж, четвертая линия опускает на 5-й этаж. На 2–5-м этажах располагается типовое оборудование, которое позволяет извлечь из трех фракций полезный материал, который по отдельным конвейерным линиям перемещается на 6-й этаж, где его брикетируют гидравлические прессы и поднимают по шахтам наверх для складирования и реализации. Отходы могут перераспределяться в зависимости от загруженности линий, это будет делаться оператором, который будет направлять мусоровозы для разгрузки в один из четырех бункеров приемщиков.

Часть отходов (до 10 %), непригодные для продажи, опускаются на 7-й подземный этаж, где обрабатываются, формуются с трехдневным запасом для сжигания. В дальнейшем опускаются в печи на 8-м этаже. На этаже находится парогенератор для преобразования тепловой энергии в

Рис. 4. Вертикальный разрез комплекса

Рис. 5. Подземные этажи комплекса: с 1-го по 6-й

э лектрическую энергию. Данной энергии совм е стно с энергией от солнечных панелей, хватает для автономной работы всего комплекса. При сжигании остаются опасные и вредные вещества, которые не поддаются пока переработке. Они изолируются в контейнеры и опускаютс я на 9-й и 10- й этажи для хранения на ближайшие 100 –300 лет.

На данном комплексе применены гравитац и онные элементы для сохранения энергии. Элеме н ты оборудованы якорями весом около 10 т ка ж дый, которые при избытке электроэнергии подн имаются вверх электродви гателями. При недостатке энергии якоря поочередно опускаются вниз, пер е давая через редукторы механическую энергию на электрогенераторы, тем самым производя допо лнительную электроэнергию.

На крыше комплекса предполагается распол ожить солнечные панели общей площадью 8 –10 тыс. кв. м. Солнечная радиация преобразуется в эле к трическую энергию, питая совместно с энергией от парогенераторов печей сжигания остаточных отходов весь комплекс. Полная автономность комплекса снижает себестоимость тонны отходов, увеличивая прибыль бизнеса при продаже подг отовленных отходов.

Технико- экономические показатели комплекса по управлению отходами:

Надземная часть: здание 100 ×100 м и высотой 9 м. Площадь здания – 10 000 м².

Подземная часть: диаметр – 50 м; глубина – 60 м; количество этажей – 10; площадь – около 20 000 м²; строительный объем – около 118 000 м³.

Примерная энерговооруженность: 1 МВт.

Выбросы диоксида углерода: отсутствуют (печь-агрегат МИСиС).

Общая стоимость под ключ – около 50 млн евро; стоимость 1 м2 – 1667 евро; стоимость 1 м3 – 424 евро.

Преимущества комплекса по сравнению с традиционными мусороперерабатывающими заводами: компактность; низкая стоимость; экологичность; близкая расположенность к жилой зоне; рентабельность.

Недостатки комплекса: неопробованный на практике; требуются зарубежные инвестиции (в основное оборудование); сложность нормативного обеспечения и получения государственного разрешения.

Заключение

Предложенный комплекс по управлению отходами основан на инновационных способах: способе формования железобетонных изделий посредством опускающегося бетона и способе строительства подземного многоэтажного сооружения.

Подземный комплекс по управлению отходами, на наш взгляд, отвечает наступающей парадигме четвертой промышленной революции (природосберегающие и биологические совместимые технологии). Главное его преимущество – минимальное воздействие на окружающую среду. Это обеспечивается преимущественно подземным расположением при совместной безопасной работе геосферы и комплекса. Основным условием безопасной работы комплекса является его сейсмостойкость, управление гидропотоками в геомассиве, отсутствие взаимного проникновения противо- положных природной и техногенной сред. Такие комплексы целесообразно возводить на месте старых свалок, полигонов отходов, поскольку при этом городской агломерацией уже отработана логистика (графики доставки, время, расстояние). Себестоимость утилизации будет наименьшая в сравнении с новыми полигонами. В настоящее время группа разработчиков проектирует вертикальную технологию переработки отходов, выполняет НИОКР по строительной части, надеясь на помощь таких институтов развития, как Сколково, НТИ и др.

Разработчики уверены: подземные комплексы – это шаг в будущее, это решение проблемы переработки отходов в России на основе принципа биосферной совместимости и это в перспективе международный продукт для совместного освоения, распространения по всему миру.