Техника и технология совмещенных процессов переработки твердых отходов

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ 

СОВМЕЩЕННЫХ 

ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ 

ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

В.И. НАЗАРОВ
Р.А. САНДУ
Д.А. МАКАРЕНКОВ
Н.Е. НИКОЛАЙКИНА

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений, обучающихся  по направлениям подготовки 

20.03.01 «Техносферная безопасность», 18.03.01 «Химическая технология», 

18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, 

нефтехимии и биотехнологии» (квалификация (степень) «бакалавр»)

 (протокол № 3 от 17.02.2020)

Москва
ИНФРА-М

2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 628.477(075.8)
ББК 30.69я73
 
Н19

А в т о р ы:

В.И. Назаров, кандидат технических наук, доцент, научный сотрудник НИЦ 

«Курчатовский институт» (введение, гл. 2—4; гл. 5: 5.1—5.6; гл. 6: 6.1; гл. 7: 7.1, 
7.2; гл. 8; гл. 9: 9.1, 9.2; гл. 10: 10.2, 10.3; приложения);

Р.А. Санду, доктор технических наук, заместитель директора по науке НИЦ 

«Курчатовский институт» (гл. 11);

Д.А. Макаренков, доктор технических наук, доцент, заместитель директора 

по науке НИЦ «Курчатовский институт» (гл. 5: 5.7; гл. 6: 6.2, 6.3; гл. 7: 7.3, 7.4; 
гл. 9: 9.3—9.5; гл. 10: 10.1);

Н.Е. Николайкина, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой 

химии и биотехнологии Московского политехничес кого университета (гл. 1)
Р е ц е н з е н т ы:

А.Л. Таран, доктор технических наук, профессор МИРЭА — Российского 

технологического университета;

А.В. Луканин, доктор технических наук, профессор Российского универси
тета дружбы народов

ISBN 978-5-16-014666-9 (print)
ISBN 978-5-16-107168-7 (online)

© Назаров В.И., Санду Р.А., 

Макаренков Д.А., 
Николайкина Н.Е., 2020

Назаров В.И.

Н19  
Техника и технология совмещенных процессов переработки твердых 

отходов : учебное пособие / В.И. Назаров, Р.А. Санду, Д.А. Макаренков, 
Н.Е. Николайкина. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 456 с. — (Высшее 
образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/996365.

ISBN 978-5-16-014666-9 (print)
ISBN 978-5-16-107168-7 (online)
В учебном пособии изложены сведения о промышленных и бытовых отходах. 

Рассмотрены свойства литосферы и компоненты почвы. Дана оценка загрязнения почв промышленными и бытовыми отходами. Рассмотрены особенности 
классификации отходов и приведены критерии определения их опасности. 
Изложены общие закономерности совмещенных методов переработки, использующих механические, физические, термические и биотермические процессы 
утилизации. Подробно описаны конструкции гранулирующего оборудования, 
способы интенсификации процессов, технологические схемы и инженерные методы расчетов. Особое внимание уделено термическим методам обезвреживания 
отходов, технологическим линиям, конструкциям печей и реакторов. На основе 
системного подхода с использованием данных экологического мониторинга рассмотрена методология выбора наиболее доступных технологий.

Соответствует требованиям федеральных государственных образователь
ных стандартов высшего образования последнего поколения. 

Предназначено для самостоятельной работы бакалавров и магистрантов, 

обучающихся по направлениям 20.04.01 «Техносферная безопасность» (уровень магистратуры), 20.03.01 «Техносферная безопасность» (уровень бакалавриата), 18.03.01 «Химическая технология», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии». 
Может быть полезно инженерно-техническим работникам химической промышленности и смежных отраслей.

УДК 628.477(075.8)

ББК 30.69я73

Введение

В настоящее время в мегаполисах России уже скопилось и продолжает образовываться большое количество твердых бытовых 
и промышленных отходов. Объемы отходов, выбрасываемых предприятиями, непрерывно растут. В последние годы количество образующихся твердых бытовых и промышленных отходов держится 
на уровне 3,6—5,4 млрд т в год. Твердые отходы воздействуют 
на литосферу и прежде всего на ее верхнюю часть — почвы.
Биосфера — область существования живых организмов 
на нашей планете, она включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы Земли. При рассмотрении 
проблем окружающей среды обыч но меньше всего внимания уделяют состоянию литосферы. Между тем биосфера едина и решать 
проблемы охраны окружающей среды без учета состояния литосферы невозможно.
Литосфера — верхняя «твердая» оболочка Земли, постепенно 
с глубиной переходящая в сферы с меньшей плотностью вещества [1]. Мощность литосферы — 50—200 км, в том числе земной 
коры — 30—60 км на континентах и 5—10 км на дне океана. В состав биосферы входит только верхняя часть земной коры — 2—3 км 
в глубь земли. Даже мощная земная кора по сравнению с другими 
геосферами кажется тонкой пленкой — в среднем ее толщина — 
всего 0,6% от длины земного радиуса. На континентах земная кора 
состоит из трех слоев: осадочного, гранитного, базальтового. Земная 
кора под океанами имеет другое строение — в ней отсутствует гранитный слой и мощность коры значительно меньше. По химическому составу земная кора на 82,58% состоит из трех элемен тов: 
кислорода (49,13%), кремния (26%) и алюминия (7,45%). Значительную часть земной коры также составляют железо, кальций, натрий, калий, магний, водород. В сумме эти девять элемен тов составляют 98,13% всей земной коры. Химические элемен ты образуют 
естественные соединения, состоящие чаще всего из нескольких 
элемен тов. Такие соединения, возникшие в результате природных 
процессов, называют минералами.
Минералов существует несколько тысяч, наиболее распространены из них полевые шпаты (55%), кварц (12%), слюда (3%). 
В земной коре минералы группируются в горные породы. По происхождению различают магматические, осадочные и метаморфические породы.

В литосфере сосредоточены основные запасы сырья, необходимого для работы промышленности: рудные и нерудные ископаемые, 
уголь, нефть, газ. В результате интенсивного использования минерального сырья природные ландшафты сильно изменены. В местах 
разработок образовались искусственные горы и глубокие впадины. 
Огромное количество твердых отходов поступает ежегодно в окружающую среду.
Почва является природным образованием, возникшим в результате воздействия живых и мертвых организмов, природных 
вод и атмосферного воздуха на поверхностные слои литосферы 
в различных условиях климата и рельефа. Почва — это важнейший 
природный ресурс, который играет огромную роль в круговороте 
веществ. Она является средой, куда поступают различные отходы 
и отбросы, трупы животных, растительные организмы. Ее основное 
свойство — способность к самоочищению. Благодаря жизнедеятельности организмов, присутствующих в почве, происходит распад 
органических веществ (отходов) до минеральных солей, воды, углекислоты и образуется особое органическое вещество — гумус, которое определяет плодородие почв. Почва обеспечивает получение 
продуктов питания человека. В качестве пашни используется около 
10% суши (рис. В.1).

20%

20%
20%

20%
10%

10%

Горы

Пастбища
Пустыни

Пашни

Полярные 
области
Маломощные 
почвы

Рис. В.1. Распределение земельных ресурсов на поверхности суши

Почвы истощаются, из-за неправильной системы орошения происходит засоление почв (сегодня в мире засолено около 40% всех 
орошаемых земель), их загрязняют удобрения и пестициды. В результате неправильной обработки почвы деградируют от водной 
и ветровой эрозии. Огромные территории отведены под хранение 
твердых отходов металлургической, химической, энергетической 
и других отраслей промышленности. Кроме того, добыча сырья открытым и закрытым методами существенно изменяет рельеф местности. Пройдя весь цикл промышленной переработки, большая 
часть сырья в виде отходов пополняет свалки.
В городах практически нет естественных почв. Здесь сформированы искусственные почвы, или правильнее почвогрунты. 
В результате уборки листьев, скашивания травы уменьшается количество питательных веществ, уборка снега увеличивает промерзание почвы, обработка улиц средствами против гололеда меняет 
ее химический состав. Особую проблему представляет концентрация в городах твердых бытовых отходов (ТБО), не имеющих 
естественных разрушающих биологических и химических агентов. 
В крупных городах мусор собирают, затем его отправляют на мусоросортирующие и мусороперерабатывающие заводы. В других населенных пунктах твердые отходы чаще всего вывозят на открытые 
свалки. По приблизительным оценкам городу с миллионным населением для захоронения мусора ежегодно требуется около 40 га 
дополнительной территории. В местах старой застройки антропогенные наносы лежат сплошным покровом весьма значительной 
мощности.
Отвалы и свалки занимают поверхность, которая могла бы быть 
использована в хозяйстве. «Пустые» породы, твердые промышленные и бытовые отходы в отвалах и свалках под действием атмосферных осадков, температуры и ветра начинают окисляться, 
продукты химических реакций загрязняют воздух, воды и почвы.
В связи с этим проблема экологически совершенного обращения 
с отходами производства и потребления в нашей стране является 
актуальной задачей. В Российской Федерации деятельность по обращению с отходами регулируется Федеральным законом от 30 декабря 2006 г. № 309-ФЗ «Об отходах производства и потребления».
Отходы производства имеют, как правило, однородный состав 
и постоянные объемы образования, что облегчает их повторное 
использование. Широко применяют рециклинг стекла, пластмасс, 
макулатуры, повторно перерабатывают отходы древесины, черные 
и цветные металлы и т.д. По своей сути подобные отходы являются 
вторичными материальными ресурсами (ВМР).

Использование различных технологий позволяет получать 
из отходов целевые продукты. Предлагаемое учебное пособие поможет студентам, обучающимся инженерной защите окружающей 
среды, выбрать технологию переработки отходов и рассчитать технологические параметры основного оборудования.
Рассматриваемые в книге такие технологии, как механическая 
обработка отходов, а также сжигание, пиролиз и биотермическое 
обезвреживание отходов, позволяют снизить техногенную нагрузку 
на биосферу. За последние 20 лет появились новые конструкции 
грануляторов, печей для сжигания отходов пиролизных и плазменных реакторов. Для выбора необходимого оборудования нет 
четких критериев, а методы расчета технологических параметров 
зачастую носят оценочный характер и не всегда обоснованы.
При выборе технологии и техники переработки твердых отходов 
с использованием совмещенных процессов гранулирования, термообработки, сжигания, пиролиза, биотермического обезвреживания 
не всегда учитываются тип отходов, качество газовых выбросов, 
сточных вод и образующихся при сжигании зол и шлаков. Кроме 
того, не полностью используются системы экологического мониторинга, качества компонентов окружающей среды и не учитываются 
вопросы энергосбережения.
В данном пособии, используя междисциплинарный симбиоз 
различных совмещенных процессов переработки отходов, на основе 
системного анализа авторы показывают многостадийные и энергосберегающие процессы с получением гранулированных продуктов 
при использовании ВМР.
При подборе наиболее доступных технологий термического 
обезвреживания отходов использована пошаговая методология 
(с применением данных экологического мониторинга). Эта методология разработана Росстандартом [2].
С учетом вышеизложенного в книге проанализированы процессы 
подготовки отходов и гранулирования, конструкции грануляторов, 
оборудование термической переработки отходов; рассмотрены особенности эксплуатации промышленного оборудования; даны рекомендации по технологическим схемам и режимным параметрам 
процессов.
Данное пособие станет помощником студентов и практиков, 
специализирующихся в области техносферной безопасности 
и энерго- и ресурсосберегающих процессов в химической технологии и смежных отраслях. При выборе технологий, аппаратурного 
оформления процессов переработки отходов и методов их расчета 
используется комплексный подход, интегрирующий различные 

научные дисциплины. В таком аспекте данные вопросы в учебной 
литературе практически не освещались.
После изучения данного пособия студенты должны приобрести 
следующие компетенции:
 
• способность и готовность осуществлять технологический процесс в соответствии с регламентом и использовать технические 
средства для измерения основных параметров технологического 
процесса, свойств сырья и продукции (ПК-1);
 
• готовность применять аналитические и численные методы решения поставленных задач, использовать информационные технологии и базы данных своей профессио нальной деятельности 
для расчета технологических параметров оборудования (ПК-2);
 
• способность принимать конкретные технические решения 
при разработке технологических процессов, выбирать технические средства и технологии с учетом экологических последствий их применения (ПК-4);
 
• способность проводить анализ сырья, материалов и готовой продукции, осуществлять оценку результатов анализа (ПК-10).

Глава 1. 
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВ 
И ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Одним из элемен тов биосферы является литосфера. Она включает твердую оболочку земли (кора) и состоит из нескольких слоев. 
На поверхности коры формируется почвенный покров — основа земельного фонда биосферы [3].
Почва имеет сложный химический состав и состоит из минеральных органических веществ, в том числе гумуса. В гумусе почв 
сосредоточены до 95% всех запасов азота, значительная часть фосфора и серы.
Способность почв к самоочищению не безгранична. Она нарушается и в естественных условиях, но чаще это происходит в результате вмешательства человека, когда загрязняющие вещества 
поступают в землю в больших количествах.
К потенциальным источникам загрязнения почв относят:
 
– промышленные и транспортные предприятия, предприятия 
энергетики, аэропорты, различные виды заправочных станций;
 
– предприятия добычи, переработки, хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов;
 
– предприятия минерально-сырьевого комплекса;
 
– полигоны и места захоронения отходов промышленности, 
в том числе атомной энергетики, предприятий военнопромышленного комплекса и вооруженных сил (ракетное 
топливо, опасные вещества, образующиеся в результате испытаний вооружения, горюче-смазочные материалы и т.п.), 
коммунально-бытового хозяйства;
 
– дорожно-транспортная сеть.
Источниками загрязнения сельскохозяйственных угодий являются:
 
– средства химизации сельского хозяйства (пестициды, регуляторы роста, мелиоранты и т.п.);
 
– отходы сельскохозяйственного производства, животноводческих комплексов, птицефабрик;
 
– склады хранения средств химизации, растворные узлы, 
взлетно-посадочные полосы сельскохозяйственной авиации.
Особую опасность представляет загрязнение почв тяжелыми металлами и пестицидами.

1.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ 
И ПЕСТИЦИДАМИ

Основными источниками поступления в почву тяжелых металлов служат промышленные выбросы, отходы промышленности, 
автомобильный транспорт, удобрения и средства защиты растений, 
содержащие их в качестве примесей. Тяжелые металлы способны 
сохраняться в почвах длительное время, частично переходя в неподвижное состояние и загрязняя верхние слои почвенного профиля. 
В виде почвенного раство ра они частично переходят в растения 
или вымываются атмосферными осадками или грунтовыми водами 
в природные водоемы.
Накопление в почвах тяжелых металлов изменяет ее физикохимические свойства: меняется величина рН, нарушаются микробиологические процессы, деградирует почвенный гумус, в результате разрушения структуры ухудшается водно-воздушный баланс. 
Степень влияния тяжелых металлов на почву зависит от ее состава 
и свойств. Наиболее сильно они воздействуют на песчаные и супесчаные малогумусные почвы. Повышение кислотности почв усиливает подвижность форм тяжелых металлов и улучшает их поглощение растениями.
Основным средством защиты почв от тяжелых металлов является совершенствование технологических процессов и систем 
очистки выбросов и сбросов. Для ликвидации существующих загрязнений часто используют материалы (известь, синтетические 
смолы, удобрения и др.), связывающие металлы в недоступные 
для растений формы. Для удаления тяжелых металлов из сильно 
загрязненных почв вблизи отвалов и хранилищ твердых отходов 
практикуют съем верхнего слоя почвы (до 30 см) и насыпку незагрязненной почвы. Загрязненную почву промывают в кислой среде, 
переводя соединения тяжелых металлов в подвижную форму и вымывая их. Соли железа (например FeCl3) улучшают структуру 
почвы, а внесение в почву извести и различных удобрений возвращает ей плодородие.
Наиболее дешевыми являются методы, не предусматривающие 
для проведения очистки перемещения почвы. Внесение в почву 
веществ-инактиваторов, фиксирующих тяжелые металлы в почве 
в нерастворимом и недоступном для растений виде и не закрепляющих элемен ты питания, — широко применяемый метод. Во многих 
странах для этих целей используют капто-8-триазин, хорошо фиксирующий кадмий, свинец, ртуть, никель.

Известкование почв, а также совместное внесение извести и минеральных удобрений способствуют переводу тяжелых металлов 
в менее подвижные соединения за счет изменения кислотности 
среды. Это компенсирует отрицательное воздействие избытка тяжелых металлов.
Детоксикация тяжелых металлов происходит при внесении 
органических удобрений. Они не только являются источником 
элемен тов питания, но и понижают за счет высокой реакционной 
способности концентрацию солей в почве. Ионы тяжелых металлов 
образуют соединения с рядом органических веществ, например, 
аминокислотами, гуминовыми и фульвокислотами. При внесении 
органических удобрений подвижность тяжелых металлов уменьшается вследствие образования органоминеральных соединений, 
обладающих низкой растворимостью.
Для снижения подвижности тяжелых металлов в почвах используют глинистые минералы. При этом применяют природные 
цеолиты, которые являются не только хорошими сорбентами, 
но и источником питания и структурирования почв. Высокая селективность цеолитов по отношению к тяжелым металлам позволяет поглощать медь, цинк, свинец, кобальт, никель из сточных 
вод и почв. Цеолиты повышают эффективность минеральных удобрений.
К пестицидам относят многие синтезированные органические 
соединения сложного состава, а также некоторые неорганические соединения, применяемые в сельском хозяйстве как средства 
для борьбы с сорняками, вредителями, болезнями растений, дефолиации. Пестициды воздействуют на почвенные организмы, 
загрязняют почвенно-грунтовые воды и водоемы. Они накапливаются в трофических цепях и негативно воздействуют на живые 
организмы.
Для снижения загрязнения почв пестицидами необходимо 
улучшение качества препаратов и усовершенствование технологий 
их внесения. По возможности необходимо отказываться от пестицидов в пользу биологических методов защиты растений.
Для очистки от пестицидов загрязненных почв применяют внесение в них адсорбентов — активированного угля, ионообменных 
смол, глин, торфа, навоза, неорганических солей. Биологические 
методы очистки используют микроорганизмы, разлагающие загрязняющие вещества, причем их сочетают с химическими и физикохимическими методами очистки.