Инженерная экология: защита литосферы от твердых промышленных и бытовых отходов

ИНЖЕНЕРНАЯ 
ЭКОЛОГИЯ

ЗАЩИТА ЛИТОСФЕРЫ 
ОТ ТВЕРДЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ 
И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

А.В. ЛУКАНИН

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»,
05.03.06 «Экология и природопользование» (квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 504.05(075.8)
ББК 30.69я73
 
Л84

Луканин А.В.
Инженерная экология: защита литосферы от твердых промышленных и бытовых отходов : учебное пособие / А.В. Луканин. — 
 Москва :  ИНФРА-М, 2022. — 556 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/textbook_594ceae2a8e490.61608344.

ISBN 978-5-16-012760-6 (print)
ISBN 978-5-16-106070-4 (online)

В учебном пособии изложены различные методы переработки твердых отходов и показаны способы их подготовки; освещены вопросы обогащения твердых отходов; рассмотрены физико-химические методы выделения веществ при 
участии жидкой фазы; описаны методы термической переработки промышленных и бытовых отходов; подробно изложены вопросы биотехнологической переработки органических отходов, рассмотрены источники образования этих 
отходов; освещены вопросы получения белково-витаминных добавок, компостирования, анаэробного сбраживания и метаногенерации, силосования при 
утилизации органических отходов; приведены примеры переработки хлорорганических отходов, кислых гудронов, металлсодержащих шламов, отходов газификации топлив, резинотехнических изделий, пластмасс, отходов горнодобывающей промышленности.
Даны подробные описания и расчеты оригинальных установок утилизации 
отходов, разработанных под руководством автора. 
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Книга предназначена для студентов технических вузов, обучающихся по направлению подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность». Представленные 
материалы будут полезны инженерно-техническим работникам, аспирантам 
и преподавателям.
УДК 504.05(075.8)
ББК 30.69я73

А в т о р:
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор кафедры общей, 
фармацевтической и биомедицинской технологии Российского университета дружбы народов

Р е ц е н з е н т ы: 
Ксенофонтов Б.С., доктор технических наук, профессор, руководитель 
отдела Научно-исследовательского института энергетического машиностроения Московского государственного технического университета 
им. Н.Э. Баумана;
Градова Н.Б., доктор биологических наук, профессор кафедры биотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева

ISBN 978-5-16-012760-6 (print)
ISBN 978-5-16-106070-4 (online)
© Луканин А.В., 2018

Л84

Введение

В книге рассмотрены виды и свойства твердых промышленных и бытовых отходов (ТП и БО), представляющих угрозу экологическому равновесию природы и в то же время являющихся бесплатными видами сырья для многих отраслей промышленности 
и сельского хозяйства. Согласно некоторым оценкам в биосферу 
ежегодно поступает около 20–30 млрд т твердых отходов, из них 
50–60% органических соединений. Опасные отходы составляют 
10–15%. Отходы занимают огромные земельные площади, на их 
транспортировку и складирование расходуются значительные материальные средства. 
Многие твердые отходы производства наносят большой вред 
растениям, животным и человеку. Их можно разделить на две 
группы. Первую группу составляют отходы, вредное действие которых на окружающую среду нейтрализуют ликвидационными методами: разложением, складированием, захоронением и др. Во вторую группу входят отходы, которые утилизируют как вторичные 
материальные ресурсы. 
По классу опасности отходы делятся на чрезвычайно опасные 
(I класс), высокоопасные (II класс), умеренно опасные (III класс), 
малоопасные (IV класс).
Доля отходов, перерабатываемых в полезные продукты, составляет 10–20%. Во многих странах в соответствии с природоохранным 
законодательством отходы, содержащие более 5–10% органического вещества, должны не складироваться, а перерабатываться.
Литосфера — верхний покров Земли, имеющий среднюю толщину 30–40 км. Верхнюю часть литосферы составляет почва. Она 
образовалась в результате воздействия живых и мертвых организмов 
на поверхностные горизонты Земли в различных условиях климата, 
рельефа местности и других факторов. В почве протекают многочисленные физические, химические и биологические процессы. 
Она является составной частью биосферы.
Средняя плотность Земли — 2,8 т/м3. Земной покров неоднороден: 64% его составляют равнинные области и 36% — горные 
массивы. Около 30% земной поверхности покрыто лесами, примерно 10–11% занято пашней. 
В литосфере сосредоточены основные источники сырья, необходимого для работы промышленности, — угля, нефти, газа, раз

личных рудных и нерудных ископаемых. Ниже приведено содержание различных элементов в земной коре, %:
О — 49,13 
К — 2,40 
Р — 0,11 
Сr — 0 010
Si — 26,00 
Mg —1,93 
Мn — 0,09 
Ni — 0,006
Аl — 7,45 
Н — 0,87 
С — 0,09 
Со — 0,004
Fe — 4,20 
Ti — 0,58 
S — 0,06 
Другие элементы — 0,57
Са — 3,35 
Ва — 0,40 
F — 0,03 
Na — 2,60 
С1— 0,19 
N — 0,03
В настоящее время ежегодно мировое потребление минерального сырья достигает 100 млрд т [4]. Интенсивное использование 
минерального сырья сопровождается образованием большой массы 
отходов и осуществлением выбросов на различных стадиях его переработки — на горных предприятиях, в процессе транспортирования и на перерабатывающих предприятиях. Количество отходов 
во многих случаях превышает количество полученной продукции.
Твердые отходы, поступающие в окружающую среду, можно 
подразделить на три категории: промышленные, сельскохозяйственные отходы и отходы городского хозяйства (бытовые отходы). 
Главная масса промышленных отходов образуется на предприятиях следующих отраслей:
 
• горной и горно-химической промышленности (отвалы, шлаки, 
«хвосты» и т.д.);
 
• черной и цветной металлургии (шлаки, шламы, колошниковая 
пыль и т.д.);
 
• металлообрабатывающей промышленности (стружка, бракованные изделия и т.д.);
 
• лесной и деревообрабатывающей промышленности (лесозаготовительные отходы, отходы лесопиления, изготовления деревянных конструкций, мебели и т.д.);
 
• энергетического хозяйства — тепловых электростанциях (зола, 
шлаки);
 
• химической и смежных отраслей промышленности (фосфогипс, 
галит, огарок, шлаки, шламы, стеклобой, цементная пыль, отходы органических производств — резина, пластмассы и т.д.);
 
• пищевой промышленности (кость, шерсть и т.д.);
 
• легкой и текстильной промышленности.
Ежегодный объем отвалов горных предприятий Российской Федерации составляет более 2 млрд м3 горной массы. Заводы черной 
металлургии ежегодно дают около 70 млн т шлаков. Примерно 
столько же шлаков и золы образуется на электростанциях Российской Федерации. Для размещения этой массы отвалов ежегодно 
выделяются большие площади земельных угодий. 

На горных предприятиях выход отвалов на 1 т получаемого продукта в связи с уменьшением концентрации извлекаемых компонентов в рудах непрерывно увеличивается. Так, в 1960 г. в США 
перерабатывали медную руду с содержанием меди 4%, а в настоящее 
время — 0,6–0,8%.
Работа многих предприятий и транспорта сопровождается выделением больших объемов пыли, которая вместе с пылью, возникающей в результате эрозии почвы, попадая в реки, увеличивает денудацию — сброс твердых частиц, взвесей в моря и океаны. В начале XX в. денудация равнялась 15 млрд т, в настоящее время она 
достигает 26 млрд т [4].
В последние десятилетия в связи с интенсификацией сельского 
хозяйства резко возросли отходы от полеводства и животноводства, 
поступающие в окружающую среду. 
Огромная урбанизация на нашей планете породила серьезную 
проблему утилизации выбросов городского хозяйства (бытовых отходов). На каждого жителя Российской Федерации, например, ежегодно приходится до 350 кг бытовых отходов, представляющих 
собой бытовое стекло, металлические изделия, бумагу, пластмассы, 
остатки пищи. В ряде стран этот показатель значительно больше, 
чем в Российской Федерации.
Отвалы фосфогипса, огарка, галита загрязняют грунтовые воды. 
Ряд отходов производства содержит соединения хрома, свинца, 
мышьяка и некоторые другие ядовитые вещества.
Очень опасно выделение асбестовой пыли, обладающей канцерогенными свойствами, и многих других веществ и материалов.
В нашей стране большое значение придается защите литосферы, 
охране недр и их рациональному использованию. В Российской 
Федерации организована служба, позволяющая контролировать содержание в почве различных веществ — удобрений, пестицидов, 
вредных веществ. Эта служба (мониторинг) обеспечивает принятие 
необходимых мер в случае обнаружения опасных концентраций 
каких-либо вредных веществ.
Использование металла отслуживших изделий — автомашин, 
холодильников и т.д. — позволяет получать значительное количество меди, цинка, олова. В США из отходов получают 45% стали, 
40% меди, 25% цинка, 20% алюминия, 12% резины. 
В настоящее время в значительной мере используется такое вторичное сырье, как отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, макулатура, отработанные изделия из пластмасс 
и резины. Резину частично возвращают в производство резиновых 
изделий, а частично используют для создания композиций дорож

ных покрытий и производства некоторых химических веществ. 
 Начинают находить применение шлаки и золы, главным образом 
для изготовления строительных материалов.
Например, из шлака получают гранулят (идет в цементную промышленность), щебень, пемзу (легкий заполнитель в бетоне), шлаковату. Часть шлака применяют для известкования кислых почв. 
Бытовые отходы (отходы городского хозяйства) можно перерабатывать в удобрения, горючий газ и синтетическую нефть, строительные плиты и т.д. В Москве, Санкт-Петербурге и других крупных 
городах работают предприятия по переработке бытовых отходов 
в удобрения и искусственные почвы.
В связи с постоянным накоплением больших масс твердых отходов их следует рассматривать как важные вторичные ресурсы. 
Для их использования необходимо решить ряд вопросов как технологического, так и экономического порядка. В качестве ведущего 
направления в этих разработках предусматривается комплексное 
использование всех химических элементов, имеющихся в отходах. 
При решении этой задачи в ряде случаев приходится разрабатывать 
новую, более совершенную технологию. 
Например, при разработке новой технологии переработки руд 
в настоящее время учитывают возможность микробиологического 
метода извлечения металлов. В ряде стран (России, США, Канаде, 
Австралии, Германии и др.) накоплен опыт по биологическому выщелачиванию отдельных металлов, в частности цветных, драгоценных и редких [1, 2]. Использование этого метода открывает возможности для переработки руд с низким содержанием извлекаемых 
элементов.
Наряду с решением задач, связанных с защитой литосферы, 
приходится решать и другие вопросы, в частности — рекультивации 
земель в районах горных разработок («лунных ландшафтов»). В некоторых случаях, когда восстановление земель из-за глубоких 
впадин затруднительно, в них создают озера, на берегах которых 
строят дома отдыха, лагеря и т.д. 
Все части биосферы планеты — атмосфера, гидросфера и литосфера связаны между собой круговоротами веществ. В связи с этим 
инженерам необходимо решать проблему защиты литосферы с учетом того, что она тесно связана с атмосферой и гидросферой. Решая 
вопросы инженерной защиты литосферы, мы тем самым создаем 
условия, способствующие уменьшению влияния вредных твердых 
веществ на атмосферу, гидросферу, растительность, животный мир 
и человека.

Твердые промышленные отходы (ТПО) представляют собой, 
как правило, более или менее однородные продукты, которые 
не требуют предварительной сепарации по группам для их переработки. 
Твердые бытовые отходы (ТБО), напротив, представляют собой 
грубую механическую смесь самых разнообразных материалов 
и гниющих продуктов, различающихся физическими, химическими 
и механическими свойствами и размерами. Перед переработкой их 
необходимо сортировать по группам, и уже после сортировки 
каждую группу отдельно перерабатывать.
Остановимся сначала на классификации ТПО.
Накопление значительных количеств твердых отходов во многих 
отраслях промышленности обусловлено существующим уровнем 
технологии переработки сырья и недостаточностью его комплексного использования. Удаление отходов и их хранение (отвалы 
и шламонакопители) являются дорогими мероприятиями. Например, на металлургических производствах, ТЭС и углеобогатительных фабриках затраты на них составляют 8–30% стоимости 
производства основной продукции. 
В отвалы и шламохранилища ежегодно поступают огромные 
массы вскрышных пород, отходов обогащения и переработки минерального сырья, золошлаковых отходов ТЭС, металлургических 
шлаков, фосфогипса и значительные количества других материалов. В то же время уровень утилизации отходов является низким: 
в хозяйственный оборот вовлекается только пятая часть шлаков 
цветной металлургии, 10–12% золошлаковых отходов и фосфогипса, менее 4% отходов углеобогащения, что ведет к нарастанию 
массы складируемых отходов.
Значительная часть твердых отходов промышленных предприятий может быть эффективно использована в народном хозяйстве. Так, строительная индустрия и промышленность строительных материалов ежегодно добывают и потребляют около 
3,5 млрд т нерудного сырья, существенная часть которого может 
быть заменена промышленными отходами. Задача утилизации последних тем более актуальна, что организация производства продукции на их основе требует затрат в 2–3 раза меньших, чем затраты 
соответствующих производств на основе специально добываемого 
природного сырья. В Российской Федерации экономия 1% соответствующих видов минерального сырья равноценна дополнительному 
вовлечению в производство сырья, необходимого для получения 
около 1 млн т стали, примерно 6,5 млн т угля и 4,9 млн т нефти, 
до 6 млрд м3 природного газа и 15 млрд кВт · ч электроэнергии.

В настоящее время отсутствует общая классификация твердых 
отходов промышленности, что объясняется широтой их номенклатуры. Даже в рамках одного крупного предприятия иногда образуется до 200 видов твердых отходов. 
Существующие классификации твердых отходов весьма разнообразны. Так, твердые отходы классифицируют по отраслям промышленности (отходы химической, металлургической, топливной 
и других отраслей), по конкретным производствам (например, отходы сернокислотного, содового, фосфорнокислотного и других 
производств), по тоннажности, степени использования, ценностным показателям, воздействию на окружающую среду, пожароопасности, коррозионному воздействию на оборудование и т.п.
Для большинства основных видов крупнотоннажных твердых 
отходов разработаны экономически целесообразные технологии их 
утилизации на основе традиционных приемов, процессов и аппаратов химической технологии [3, 4].
В учебном пособии изложены различные методы переработки 
твердых отходов, позволяющие узнать их и овладеть ими. Механические способы подготовки включают измельчение, классификацию, дозирование, перемещение, смешение и укрупнение. Освещены вопросы обогащения твердых отходов при помощи гравитации и флотации. Рассмотрены физико-химические методы 
выделения веществ при участии жидкой фазы — выщелачивание 
(экстрагирование), включая биосорбцию, кристаллизация. Описаны методы термической переработки промышленных и бытовых 
отходов — газификация, пиролиз, огневые методы. Подробно изложены вопросы биотехнологической переработки органических отходов, рассмотрены источники их образования. Освещены вопросы 
получения белково-витаминных добавок, компостирования, анаэробного сбраживания и метаногенерации, силосования при утилизации органических отходов. Приведены примеры переработки 
хлорорганических отходов, кислых гудронов, металлсодержащих 
шламов, отходов газификации топлив, резинотехнических изделий, 
пластмасс, отходов горнодобывающей промышленности.
Даны подробные описания и расчеты оригинальных установок 
утилизации отходов, разработанных под руководством автора. Это 
установки:
 
• получения и использования вторичного щебня; 
 
• пиролиза автомобильных шин; 
 
• производства белково-витаминной добавки (БВД);
 
• компостирования осадков сточных вод, твердых бытовых отходов и спилов деревьев;
 
• получения, очистки, разделения и дезодорации биогаза.

Книга предназначена для студентов технических вузов, обучающихся по направлениям подготовки 20.30.01 «Техносферная 
безопасность». Представленные материалы будут полезны инженерно-техническим работникам, аспирантам и преподавателям.
В результате изучения материала настоящего учебного пособия 
студент должен:
знать 
 
• механизмы воздействия опасностей на человека;
 
• характер взаимодействия организма человека с опасностями 
среды обитания с учетом специфики механизма токсического 
действия вредных веществ, энергетического воздействия и комбинированного действия вредных факторов;
уметь 
 
• ориентироваться в основных методах и системах обеспечения 
техносферной безопасности, обоснованно выбирать известные 
устройства, системы и методы защиты человека и природной 
среды от опасностей;
 
• использовать основные программные средства, глобальные информационные ресурсы для решения профессиональных и социальных задач;
 
• проводить в качестве исполнителя научные исследования новых методов защиты окружающей среды, реабилитации загрязненных и нарушенных территорий, основанных на технических 
и технологических решениях;
владеть 
 
• правилами исследования окружающей среды для выявления ее 
возможностей и ресурсов, знаниями, способствующими принятию нестандартных решений и разрешению проблемных ситуаций; 
 
• основами эксплуатации и обслуживания систем, устройств и аппаратов очистки и защиты окружающей среды от негативного 
антропогенного и техногенного воздействия; 
 
• современными средствами телекоммуникаций, навыками работы с информацией из различных источников для решения 
задач охраны окружающей среды.

Глава 1 
Механическая переработка  
тВердых отходоВ

Утилизация твердых отходов в большинстве случаев приводит 
к необходимости их разделения на компоненты (в процессах 
очистки, обогащения, извлечения ценных составляющих) с последующей переработкой выделенных материалов различными методами. Совокупность наиболее распространенных методов подготовки и переработки твердых отходов представлена на рис. 1.1.

1.1. изМельчение тВердых МатериалоВ

Измельчением называется процесс разделения твердых тел 
на части под действием механических сил. 
Если требуется уменьшить размеры кусков без придания им 
определенной формы, процесс измельчения называется дроблением; 
если же одновременно с уменьшением размеров кусков им придается определенная форма, процесс измельчения называется резанием. По характеру применяемых усилий [6–11] способы дроб ления 
могут быть классифицированы как дробление при помощи удара, 
раздавливания, раскалывания, истирания, разрыва, изгиба (рис. 1.2). 
При ударе (см. рис. 1.2, а, б) под действием динамических нагрузок в теле возникают напряжения, приводящие к его разрушению. 
При этом различают разрушение при стесненном и свободном ударе. 
Стесненный удар обеспечивается наличием нескольких рабочих органов, оказывающих воздействие на тело. Свободный удар обеспечивается столкновением с рабочим органом машины или другим измельчаемым телом. Удар применяется в роторных и молотковых 
дробилках, молотковых и струйных мельницах, дезинтеграторах.
При раздавливании (см. рис. 1.2, в) определяющими являются 
напряжения сжатия под действием статической нагрузки между рабочими органами. Раздавливание применяется в щековых дробилках.
При истирании (см. рис. 1.2, г) основные разрушающие напряжения — напряжения сдвига. Истирание в комбинации с раздавливанием применяется в валковых и шаровых мельницах, валковых 
и конусных дробилках.
При раскалывании (см. рис. 1.2, д) в теле создаются изгибающие 
напряжения; этот способ измельчения применяется в дискозубых 
дробилках.