Очистка муниципальных сточных вод c повторным использованием воды и обработанных осадков: теория и практика

Очистка 
муниципальных сточных вод 
c повторным использованием воды 
и обработанных осадков

теория и практика

Москва • 2020 • Логос

УДК 628.3
ББК 38.761
О94

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования 
и науки Российской Федерации идентификационный номер RFMEFI60714X0024

Рекомендовано к опубликованию Ученым советом Института микробиологии РАН

Авторы
Н.И. Куликов (руководитель авторского коллектива), 
А.Н. Ножевникова, Г.М. Зубов, М.Г. Зубов, Д.Н. Куликов, 
Е.Н. Куликова, Ю.В. Литти, Р.К. Мамлютов, Л.Н. Приходько

Рецензенты
Н.С. Серпокрылов, доктор технических наук, профессор кафедры водоснабжения 
и водоотведения Ростовского государственного строительного университета
Л.Н. Фесенко, доктор технических наук, профессор кафедры водного хозяйства 
предприятий и населенных мест Южно-Российского  государственного 
технического университета 

О94       Очистка муниципальных сточных вод c повторным использованием воды и обработанных осадков: теория и практика / Н.И. Куликов, 
А.Н. Ножевникова, Г.М. Зубов [и др.]; под общ. ред. Н.И. Куликова, 
А.Н. Ножевниковой. – М.: Логос, 2020. – 400 с.

ISBN 978-5-98704-802-3

Рассмотрены системы водоснабжения и водоотведения жилых массивов 
и промышленных предприятий как единое целое, где главным источником снабжения водой технического качества жилых массивов и промышленных предприятий являются очищенные сточные воды. Освещены новые концептуальные 
подходы к очистке сточных вод и подготовки выделяемых осадков в качестве 
топлива и органоминерального удобрения. Предложены способы достижения 
минимизации размеров канализационно-очистных сооружений и эксплуатационных затрат, упрощение эксплуатации и проведения пусконаладочных работ. 
Большая часть технологий и конструкций устройств и сооружений защищены 
патентами Российской Федерации.
Для ученых и специалистов в области гидрологии, водоснабжения, водоочистки и водоотведения, рекуперации сточных вод. Представляет интерес для 
экологов, специалистов по проектированию, строительству и эксплуатации объектов водоснабжения и канализации. Может использоваться в учебном процессе 
при подготовке и повышении квалификации кадров в области водоснабжения 
и водоочистки. 

УДК 628.3
ББК 38.761

ISBN 978-5-98704-802-3
© Институт микробиологии РАН 
© Авторы, указанные на обороте
     т итульного листа, 2020
© Логос, оформление, 2020

Оглавление

Введение .............................................................................................................8

1. Основные физико-химические характеристики воды ...........................9

2. Классификация примесей природных и сточных вод и методов  
 
их удаления ...................................................................................................14
2.1. Понятие о природных и сточных водах...............................................14
2.2. Примеси природных и сточных вод.....................................................15
2.3. Классификация примесей воды по их фазово-дисперсному  

состоянию ...............................................................................................16

2.4. Характеристика примесей по группам ................................................18
2.5. Выбор методов очистки воды ...............................................................20

2.5.1. Очистка воды от примесей І группы..........................................20
2.5.2. Очистка воды от примесей II группы.........................................21
2.5.3. Очистка воды от примесей III группы .......................................21
2.5.4. Очистка воды от примесей ІV группы.......................................22

2.6. Влияние устройств механической очистки сточных вод  

на работу всей цепи сооружений канализационных  
очистных станций........................................................................23

3. Теоретические основы биологической очистки воды..........................25

3.1. Микробиологические аспекты  биологической очистки воды..........25

3.1.1. Функции микроорганизмов.........................................................25
3.1.2. Морфология бактерий .................................................................25
3.1.3. Строение клеток бактерий ..........................................................27
3.1.4. Классификация и систематика бактерий ...................................31
3.1.5. Размножение и рост бактерий.....................................................34
3.1.6. Эукариотные одноклеточные и мелкие многоклеточные  

организмы.....................................................................................35

3.1.7. Трофическая (пищевая) цепь гидробионтов..............................37

3.2. Анаэробные и аэробные процессы и микроорганизмы  

при очистке сточных вод.......................................................................40
3.2.1. Типы метаболизма у микроорганизмов .....................................40
3.2.2. Аэробные процессы,  аэробное дыхание микроорганизмов....43
3.2.3. Анаэробные процессы и микроорганизмы................................47

Оглавление

3.2.4. Аэробно-анаэробное удаление азота..........................................63

3.3. Особенности кинетики биологических процессов очистки  

сточных вод сообществами прикрепленных  
и свободноплавающих микроорганизмов............................................70

3.4. Основы единичных биологических процессов...................................73

3.4.1. Кривые и фазы роста микроорганизмов....................................73
3.4.2. Фазы роста бактерий и типы биологических процессов .........75
3.4.3. Базовая формула роста клетки....................................................77
3.4.4. Рост бактерий в процессе загрузки сооружений.......................77
3.4.5. Рост и питание бактерий .............................................................78
3.4.6. Воздействие внутреннего обмена веществ на процесс  

прироста биомассы......................................................................79

3.4.7. Воздействие температуры...........................................................80
3.4.8. Кинетика биологических процессов обработки сточных  

вод .................................................................................................81

3.4.9. Влияние внешних факторов на окислительную  

мощность биомассы микроорганизмов.....................................82

3.4.10. Формирование равновесия биомассы и питания....................86
3.4.11. Концентрация микроорганизмов и питательных  

веществ в воде, выходящей из реактора....................................87

3.4.12. Единичные биологические процессы ......................................89
3.4.13. Цели биологических процессов очистки.................................90
3.4.14. Аэробные единичные процессы...............................................91

3.5. Насадка для удерживания гидробионтов в биореакторах  

и ее свойства.........................................................................................107

3.6. Соответствие окислительной мощности и окислительной  

способности в аэробных биореакторах .............................................118
3.6.1. Конструктивное оформление аэробных биореакторов  

с насадкой из полимерных ершей............................................118

3.6.2. Внесение кислорода в аэробные биореакторы........................120
3.6.3. Возможности ускорения процесса биологической  

очистки сточных вод задействованием пространственной  
сукцессии биоценозов прикрепленных микроорганизмов  
и рециркуляции очищаемой сточной воды .............................124

3.6.4. Роторный биофильтр .................................................................129

3.7. Анаэробные процессы обработки воды.............................................134

3.7.1. Классификация анаэробных биологических процессов ........134
3.7.2. Микробиология анаэробного процесса....................................136
3.7.3. Анаэробный процесс переработки...........................................137

Оглавление
5

3.8. Биологическое удаление азота и фосфора при очистке  

сточных вод...........................................................................................148
3.8.1. Удаление соединений азота.......................................................148
3.8.2. Удаление фосфора......................................................................153

3.9. Пути совершенствования систем очистки сточных вод  

и обработки выделяемых осадков на действующих и на вновь  
проектируемых канализационных очистных станциях (КОС)........155

3.10. Система переработки осадков сточных вод в плодородную почву ...170
3.11. Резерв крупных канализационных очистных станций....................172

4. Пути совершенствования систем очистки природных  
и сточных вод, обработки выделяемых осадков на действующих  
и вновь проектируемых очистных станциях............................................176

4.1. Новая концепция формирования систем водоснабжения  

и водоотведения в целом по Российской Федерации .......................176

4.2. О специфике создания систем водоснабжения и водоотведения  

на территории РФ, в Сочи и в Крыму ................................................178

4.3. Канализационная очистная станция – фабрика  

по преобразованию экологически опасных отходов населения  
в сырье для промышленности, сельского хозяйства  
и оздоровления воздушного бассейна................................................181

4.4. Концепция эффективности ведения механической предобработки  

для хозяйственно-фекальных сточных вод и предварительной 
физико-химической очистки производственных сточных вод ........185

4.5. Универсальная биотехнология комплектования  

канализационной очистной станции..................................................189

4.6. О стратегии проектирования канализационных очистных  

станций по современной биотехнологии очистки сточных  
вод и переработки выделенных осадков............................................198

4.7. Концепция очистки ливневых и дренажных вод в условиях  

Большого Сочи и Крыма .....................................................................204

4.8. Очистка иловой воды и переработка осадков на сливных  

станциях................................................................................................209

4.9. Экономичное и экологичное технологическое и техническое 

решение по реконструкции действующей канализационной   
очистной станции  на примере г. Михайловка Волгоградской  
области без прерывания ее эксплуатации и сброса неочищенных 
сточных вод в водоем рыбохозяйственного значения  
р. Медведица.........................................................................................213

Оглавление

4.10. Организация системы кормления рыбы при ее индустриальном  

выращивании в искусственных условиях..........................................217

4.11. Улучшение качества воды прибрежной полосы морей и рек  

и состояния береговой полосы, используемой для отдыха  
жителей .................................................................................................221
4.11.1. Использование плавающих биореакторов  

для водоподготовки воды рек, водохранилищ, морской  
воды к дальнейшей очистке или использованию ...................221

4.11.2. Очистка природной воды гидробионтами,  

закрепленными на волокнистых насадках ..............................222

4.11.3. Опытно-промышленные испытания биотехнологии  

очистки речной воды.................................................................224

4.12. Осадки сточных вод и биогенные элементы....................................232

4.12.1. Очистка сточных вод ...............................................................232
4.12.2. Аэробное биокомпостирование..............................................235
4.12.3. Анаэробная стабилизация осадков сточных вод  

в метантенках.............................................................................237

5. Технические решения на уровне изобретений и полезных  
моделей с задействованием ершовой насадки для удержания  
микроорганизмов и комбинированных сооружений ..............................243

5.1. Анаэробный биореактор......................................................................243
5.2. Биореактор доочистки биологически очищенных сточных вод......250
5.3. Блочно-модульная канализационная очистная станция  

закрытого типа......................................................................................256

5.4. Блочно-модульная канализационная очистная станция закрытого  

типа с процессом anammox.................................................................272

5.5. Блочно-модульная канализационная очистная станция башенного  

типа с процессом anammox.................................................................287

5.6. Комплектно-блочная канализационная очистная станция  

с анаэробной стабилизацией осадков первичных отстойников  
и обезвреживания иловой воды от обезвоживания осадков  
с процессом anammox..........................................................................304

5.7. Комплектно-блочная модульная очистная станция заводского  

изготовления с подготовкой выделенных осадков к утилизации....316

5.8. Комплектно-блочная модульная очистная установка  

заводского изготовления......................................................................329

5.9. Комплектно-блочная модульная очистная установка заводского  

изготовления с подготовкой выделяемых осадков к утилизации....341

Оглавление
7

5.10. Способ безотстойной биологической очистки бытовых  

сточных вод в комплектно-блочных модульных очистных  
станциях заводского изготовления.....................................................351

5.11. Способ биологической очистки сточных вод с удалением  

азота с помощью биоценозов с anammox ..........................................362

5.12. Способ обработки сточных вод с получением очищенной  

воды и обеззараженных отходов.........................................................375

5.13. Усреднитель-денитрификатор для комплектно-блочных  

очистных станций канализации..........................................................386

Литература .....................................................................................................392

введение

Авторы книги предлагают рассматривать системы водоснабжения и 
водоотведения жилых массивов и промышленных предприятий как единое целое, в котором очищенные сточные воды являются главным источником технической воды для снабжения водой технического качества жилых массивов и промышленных предприятий.
Канализационную очистную станцию следует считать фабрикой по 
производству сырья для сельского хозяйства, коммунального хозяйства 
жилых массивов и промышленных предприятий, объектом, обеспечивающим занятость населения, приносящим прибыль благодаря производству сырья из отходов переработки сточных вод и их осадков. 
В книге предлагаются новые концептуальные подходы к ведению 
процессов очистки сточных вод и подготовки выделяемых осадков в качестве топлива и органоминерального удобрения. На базе использования сообществ, прикрепленных на насадке, и свободноплавающих гидробионтов в аппаратах и емкостях новой конструкции и ведения интенсивного массообмена достигаются минимизация размеров канализационной очистной станции и эксплуатационных затрат, упрощение эксплуатации и проведения пусконаладочных работ. Большая часть технологий 
и конструкций устройств и сооружений защищены патентами Российской Федерации, патентообладателями которых являются Н.И. Куликов и  
ЗАО «Компания «ЭКОС» – члены авторского коллектива.
Монография имеет широкую аудиторию. Она предназначена для ученых и специалистов в области гидрологии, водоснабжения, водоочистки 
и водоотведения, рекуперации сточных вод. Нет сомнений, что многие 
из содержащихся в ней положений представляет интерес для экологов, 
специалистов по проектированию, строительству и эксплуатации объектов водоснабжения и канализации. Книга может использоваться в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации кадров в области промышленного и гражданского строительства и, разумеется, водоснабжения и водоочистки. 
Авторский коллектив будет благодарен за предложения и замечания к 
книге, которые просит направлять по электронному адресу: e_akperova@
ecos.ru.

1. ОснОвные физикО-химические  
характеристики вОды

Химически чистая вода H2O бесцветна, не имеет запаха и вкуса, в относительно толстом слое кажется окрашенной в голубоватый цвет.
Молекула воды состоит из двух одновалентных ионов водорода H+ и 
двухвалентного иона кислорода О2–, которые расположены в вершинах 
равнобедренного треугольника. Угол у вершины треугольника, занятый 
ионом кислорода, равен 104,5°, длина связи О–Н равна 0,096 нм, расстояние между ионами Н+ равно 0,15 нм, размер молекулы воды считается 
близким к 0,28 нм (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Простейшая схема молекулы воды

Рис. 1.2. Представление молекулы воды в виде тетраэдра

Рис. 1.3. Представление молекулы воды в виде диполя

О2–

0,096 нм
0,096 нм

Н+
Н+

104,5°

0,15 нм

О2–

–

104,5°
Н+

Н+

–

Н+

Н+
О2–
–

–

–

+

1. Основные физико-химические характеристики воды 

Ближе к реальности представление молекулы H2O в форме пространственной фигуры – тетраэдра с двумя положительными вершинами на 
ионах водорода Н+ и двумя отрицательными вершинами на вытянутых 
электронных орбитах иона кислорода (рис. 1.2). Иногда упрощенно молекулы воды изображают в виде диполя (рис. 1.3), поскольку центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
Особенностью молекул воды являются способность соединяться между собой в многозвенные ассоциаты за счет образования водородных связей (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема образования водородных связей между молекулами воды

Поскольку у молекулы имеются как бы четыре полюса электрических 
зарядов, то каждая молекула связывается с четырьмя другими молекулами, располагающимися также в вершинах тетраэдра (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Пространственный ассоциат в виде тетраэдра из молекул воды

Эти пятизвенные тетраэдры частично соединяются между собой, образуя более сложные пространственные структуры. Ассоциаты не явля
Н
Н
Н
Н

Н
Н
Н
Н
О
О
О
О
0,096 нм 0,18 нм

0,18 нм

О

О

О

О

О

H
H

H

H
H

H
H

H

H
H