Основы водоподготовки и водоотведения

ОСНОВЫ 

ВОДОПОДГОТОВКИ 
И ВОДООТВЕДЕНИЯ

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва
ИНФРА-М

2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия 

для учебных заведений, реализующих программу среднего профессионального 

образования по специальности 08.02.04 «Водоснабжение и водоотведение» 

(протокол № 5 от 19.05.2021)

УДК 628.1(075.32)
ББК 38.761я723
 
К86

Р е ц е н з е н т ы:
А.В. Луканин, доктор технических наук, профессор Российского 
университета дружбы народов;
Г.И. Воробьева, доктор биологических наук, профессор, почетный 
химик Российской Федерации, главный научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского и технологического института 
биологической промышленности Российской академии наук

ISBN 978-5-16-016819-7 (print)
ISBN 978-5-16-106365-1 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

© Ксенофонтов Б.С., 2021

Ксенофонтов Б.С.
К86  
Основы водоподготовки и водоотведения : учебное пособие / 
Б.С. Ксенофонтов. — Москва: ИНФРА-М, 2022. — 256 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Среднее профессио нальное образование). — DOI 10.12737/1222066.
ISBN 978-5-16-016819-7 (print)
ISBN 978-5-16-106365-1 (online)
Очистка природных и сточных вод является неотъемлемой частью 
практически любого технологического процесса, по это му одноименная 
дисциплина является универсальной и используется для подготовки специалистов различных уровней и всех направлений в средних профессиональных образовательных учреждениях. В учебном пособии изложены 
основы водоподготовки, водоотведения и очистки сточных вод.
Ориентировано на учащихся колледжей, также будет полезно студентам бакалавриата и магистратуры, аспирантам, преподавателям и специалистам, интересующимся способами очистки природных и сточных вод.

УДК 628.1(075.32)
ББК 38.761я723

Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Введение

Очистка природных и сточных вод становится важнейшим 
направлением подготовки специалистов. При этом следует отметить, что постоянное ужесточение требований к качеству очистки 
как природных, так и сточных вод требует использования новых 
технологий, которые учащиеся должны сначала осваивать, а затем 
и разрабатывать самостоятельно. Надо четко понимать, что в зависимости от глубины решаемой задачи можно использовать различные резервы, но при этом необходимо придерживаться минимально необходимых затрат, достаточных для решения поставленной задачи.
При изучении основ биологического способа очистки сточных 
вод важно понимать возможности окисления различных загрязнений микроорганизмами активного ила, а также знать потенциальные пути утилизации избыточного активного ила. Такие возможности достаточно подробно изложены в данном пособии.
В последнее время в России началось использование наилучших 
доступных технологий (НДТ). Во всех случаях учащиеся должны 
понимать, в каких случаях использовать ту или иную технологию.
В результате освоения данного пособия учащиеся будут:
знать
 
• характеристики находящихся в различных состояниях загрязнений природных вод;
 
• основные способы очистки природных вод и водоочистное оборудование;
 
• специальные способы очистки природных вод и их обеззараживание;
 
• взаимодействие загрязнений, находящихся в природной воде, 
и их влияние на качество очищаемой воды;
 
• методику выбора технологии очистки природной воды с учетом 
взаимодействия загрязнений;
 
• характеристики находящихся в сточных водах в различных состояниях загрязнений;
 
• требования к очистке сточной воды, сбрасываемой в канализацию или в природные водоемы;
 
• основные способы очистки сточных вод и водоочистное оборудование;
 
• взаимодействие загрязнений, находящихся в сточной воде, и их 
влияние на качество очищаемой воды;

• методику выбора технологии очистки сточной воды с учетом 
взаимодействия загрязнений;
 
• методы оптимизации технологических процессов очистки природных вод;
 
• методы оптимизации технологических процессов очистки природных вод;
 
• безопасные режимы эксплуатации водоочистных установок;
уметь
 
• проводить расчеты основных способов и аппаратов очистки природных вод;
 
• проводить расчеты основных способов и аппаратов очистки 
сточных вод;
 
• выбирать критерии и методы определения НДТ очистки природных вод;
 
• выбирать критерии и методы определения НДТ очистки 
сточных вод;
 
• обеспечивать безопасные режимы эксплуатации водоочистных 
установок;
владеть
 
• методами определения и разработки технологий очистки природных вод с различным качественным и количественным составом загрязнений;
 
• методами определения и разработки технологии очистки 
сточных вод с различным качественным и количественным составом загрязнений;
 
• методами разработки технологической схемы очистки природных вод с учетом содержащихся в ней загрязнений;
 
• методами создания безопасных режимов эксплуатации водоочистных установок.
Рассмотрению указанных выше проблем и усвоению учебного 
материала в наиболее полном объеме и посвящено данное учебное 
пособие.

Раздел I. 
ВОДОПОДГОТОВКА

Глава 1. 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ ВОДЫ 
И ВОДОПОДГОТОВКЕ

1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ СИСТЕМ 
И ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ВОДЫ

В природных водах обнаруживаются почти все элемен ты периодической системы Д.И. Менделеева, причем главным элементом, 
как известно, является кислород, поскольку он преобладает 
по массе в формуле воды, а водорода значительно меньше (всего 
11,2%).
Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены 
в углах равнобедренного треугольника; длина связи О—Н равна 
0,0957 нм; валентный угол Н—О—Н составляет 104,5°. Физические 
свойства воды аномальны. Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением его объема примерно на 9%. 
Температурный коэффициент объемного расширения льда и воды 
отрицателен при температурах соответственно ниже —210 и 3,98°C. 
Кроме того, близость валентного угла Н—О—Н к тетраэдрическому 
(109°28′) обусловливает достаточно рыхлую структуру льда и воды 
и вследствие этого аномальность ряда физических свойств, в частности зависимость плотности от температуры.
Молекулы воды, обладая достаточно большим дипольным моментом (6,17 · 10—30 Кл · м), весьма сильно взаимодействуют друг 
с другом и вообще с полярными молекулами других веществ. 
Атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами 
О, N, Cl и др. Трехмерная сетка водородных связей, построенная 
из тетраэдров, существует во всем интервале от температуры 
плавления до критической температуры. Увеличение плотности 

при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей и отклонением углов 
между ними от тетраэдрических. Искривление связей увеличивается с повышением температуры и давления, что приводит к возрастанию плотности. При нагревании средняя длина водородных 
связей становится больше, в результате чего плотность вещества 
уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет наличие максимума плотности воды при 4°C.
Химические свойства воды так же, как и физические, отличаются особенностями. Известно, что лишь незначительная доля 
молекул подвергается электролитической диссоциации по схеме: 
Н2О = Н+ + ОН—. Протон Н+ в водной среде, взаимодействуя с молекулами воды, образует Н3О+, объединяющийся с одной молекулой Н2О в Н5О2
+. Расстояние О… О в таких комплексах заметно 
короче длины нормальной водородной связи между нейтральными 
молекулами. При этом протон находится не точно посередине 
этой укороченной связи, а ближе к одному из атомов О, и по это му 
можно считать, что в воде существует гидратированный ион оксония Н3О+. Это явление играет большую роль в протекании химических процессов.
Вода достаточно реакционноспособное соединение. Она окисляется атомарным кислородом: Н2О + О → Н2О2. При взаимодействии воды с F2 образуются HF, а также О, О2, О3, Н2О2 и другие 
соединения. С остальными галогенами вода реагирует с образованием смеси кислот. При обычных условиях с водой взаимодействует до половины растворенного в ней хлора, в значительно 
меньших количествах — брома и йода. При повышенных температурах хлор и бром разлагают воду с образованием кислот и О2. 
При пропускании паров воды через раскаленный уголь она разлагается, и образуется водяной газ:

 
Н2О + С = СО + Н2

При повышенной температуре в присутствии катализатора вода 
реагирует с СО, СН4 и другими углеводородами. В качестве примера 
приведем реакции, представляющие практический интерес, в частности, в присутствии в качестве катализатора Fe: H2O + CO = CO2 + H2 
и Ni или Со: Н2О + СН4 = СО + 3Н2.
Приведенные реакции используют в технологических процессах 
промышленного получения водорода. Они представляют определенный интерес и для обезвреживания газовых выбросов, содержащих СО и углеводороды.

Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии 
катализатора окисляется в метафосфорную кислоту:

 
6Н2О + 3Р → 2НРО3 + 5Н2

Вода взаимодействует со многими металлами с образованием 
водорода и соответствующего гидроксида. При этом со щелочными 
и щелочно-металлами, за исключением магния, эта реакция протекает при комнатной температуре. Менее активные в химическом 
отношении металлы разлагают воду при повышенной температуре, 
например, железо — при температуре выше 600°C:

 
2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 3H2

При взаимодействии с водой оксидов образуются кислоты 
или основания. Вода может выполнять роль катализатора, например, водород и щелочные металлы реагируют с хлором только 
в присутствии следов воды.
Вода достаточно хорошо растворяет вещества с выраженными 
полярными свойствами, при этом растворимость малополярных 
веществ в ней достаточно низкая и имеет сложную зависимость 
от температуры. Известно, что многие вещества, растворяясь в воде, 
взаимодействуют с ней, и между растворенными в воде ионами, 
не вступающими с ней в химические реакции, устанавливаются 
ион-дипольные взаимодействия. Кроме того, взаимодействие наблюдается между молекулами и атомами растворенных в воде 
веществ и молекулами воды. Это явление называют гидратацией. 
Следует отметить, что гидратация может происходить как с разрушением молекул воды, так и без него. Гидратация обусловлена 
электростатическим и ван-дер-ваальсовым взаимодействиями, координационными и водородными связями.
В водных раство рах многозарядные ионы (например, Аl 3+) и однозарядные (Li+) прочно связывают расположенные рядом молекулы 
воды. При этом образуются аквакатионы, например (Al (H2O)6)3+. 
Кристаллогидраты солей обычно образуются, когда катионы в их 
кристаллической решетке с молекулами воды образуют более 
прочные связи, чем с анионами в решетке безводной соли.
При низких температурах вода в кристаллогидратах может быть 
связана и с катионом, и с анионом соли. Воду, входящую в состав 
кристаллогидратов, называют кристаллизационной. Известно 
также существование псевдогидратов, в которых все молекулы 
воды или их часть превращаются в гидроксид-ионы или ионы гидроксония, например НClO4H2O или (Н3О) ClO4. Воду, входящую 

в состав таких псевдогидратов, обычно называют конституционной. 
При этом в каждом кристаллогидрате молекулы воды располагаются в достаточно строгом порядке. Вода может связывать аквакатион с анионом водородными связями. Существуют кристаллогидраты, в которых вода образует слои, объединяемые ионами солей. 
Известны тектогидраты, в которых молекулы воды имеют структуру, подобную структуре льда.
Представляет научный и практический интерес своеобразная 
классификация состояния воды в различных соединениях. Вода 
в зависимости от распределения среди других веществ разделяется 
на пять различных групп:
1) конституционная вода. Ее молекулы входят в состав аниона 
или катиона некоторых комплексов кобальта, железа, платины; выделение такой воды под действием нагревания обычно вызывает 
разрушение кристаллической структуры металла;
2) кристаллизационная вода. Она соответствует определенному 
числу молекул Н2О, входящих в состав некоторых веществ; может 
выделяться при нагревании, но вновь присоединяться к безводному 
веществу, если его снова приблизить к воде; при этом образуются 
подлинные гидраты, кристаллическая структура которых отличается от кристаллической структуры безводного вещества;
3) пропитывающая вода. Такая вода находится в цеолитах, 
опалах, глинах;
4) смачивающая вода, называемая иногда адсорбционной водой. 
Она встречается на поверхности стекла, кварца, ртути, в «полостях» железа;
5) физиологически связанная вода. Такая вода находится 
в тканях живых существ и очень отличается от кристаллизационной воды.
Таким образом, вода является достаточно сложными веществом 
как по физическим, так и по химическим показателям.
Природные воды по преобладающему ионному составу делятся на три класса: хлоридный, сульфатный и гидрокарбонатный. 
Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую, т.е. классификация проводится 
по катионам.
Многие природные воды содержат значительные количества 
кальция, магния, натрия, хлора, серы и других элемен тов, называемых в этом случае макроэлементами. Число их, как правило, 
не превышает 10. Зато число микроэлемен тов, содержание которых 
в воде не превышает 0,01%, в большинстве случаев составляет десятки.

Количество растворенных в природных водах веществ колеблется в широких пределах. Например, в морских водах их содержание составляет 3,5%, в речных в отдельных случаях — лишь 
0,005%, а в подземных рассолах — более 50%. От количества растворенных веществ зависит возможность использования вод 
для питья, орошения полей и т.д.
Русский геохимик А. Овчинников предложил следующую классификацию вод.

Общая минерализация, г/л
Наименование вод

Менее 0,2
Ультрапресные

0,2–0,5
Пресные

0,5–1,0
С повышенной минерализацией

1,0–3,0
Солоноватые

3,0–10,0
Соленые

10,0–35,0
С повышенной соленостью

35,0–50,0
Переходные к рассолам

50,0–400,0
Рассолы

В гидросфере основными являются соленые воды, к которым 
относится и Мировой океан. Среди подземных вод преобладают 
соленые воды и рассолы, а среди поверхностных вод материков — 
пресные и ультрапресные воды.
Питьевая вода хорошего качества, по А. Овчинникову, содержит 
не более 500 мг солей в 1 л, при этом также широко используются 
воды с минерализацией до 1 г/л, а в некоторых районах даже 
до 3 г/л.
Следует отметить, что верхнюю границу минерализации ультрапресных вод многие ученые понижают до 0,1 г/л. Воды с таким содержанием солей распространены в районах с преимущественным 
распространением силикатных пород. Самая подробная классификация природных вод по наличию солей разработана известным 
гидрогеологом Н. Толстихиным. Он выделяет, например, сверхпресные воды с минерализацией 0,01–0,03 г/л, к которым относятся льды и снега центра Антарктиды. Деление вод по общей 
минерализации не позволило отразить многие их существенные 
свойства, в том числе важные в практическом отношении. Поэтому 
основное внимание стали обращать на состав минеральных солей, 
прежде всего на содержание в воде ионов. При этом следует отметить, что, когда говорят о содержании ионов в воде, имеют в виду 
прежде всего способ выражения результатов исследований, так 

как в природных водах, как правило, нет элемен тов в свободном 
состоянии (только инертные газы — гелий, неон, аргон, криптон, 
ксенон, радон, а также частично кислород и азот находятся в воде 
в свободной форме).
Ионный состав природных вод определяет особенности их использования как в народном хозяйстве, так и в медицине. Особенности ионного состава природных вод имеют огромное значение 
при использовании воды для питьевых целей. Так, содержание 
в воде ионов некоторых элемен тов (фтора, калия, кальция и т.д.) 
имеет огромное значение для здоровья людей. При этом в зависимости от климатических условий того или иного района содержание ионов указанных элемен тов может изменяться, что и отражено в ГОСТе на питьевую воду.
Следует отметить, что ионный состав при всем его большом 
научном и практическом значении не определяет всего многообразия природных вод. Во многих случаях его роль явно отступает на задний план. Это связано с тем, что в природных водах некоторые элемен ты присутствуют как в ионной, так и в неионной 
форме. В этой связи по содержанию ионного состава не удается 
провести универсальную классификацию природных вод.
Огромное влияние на геохимические особенности большинства 
вод оказывают растворенные органические вещества (РОВ) и газы. 
В биосфере главный процесс образования РОВ — микробиологическое разложение растительных и животных остатков, при этом 
происходит синтез новых специфических высокомолекулярных соединений темного цвета — гумусовых веществ. По составу и свойствам они резко отличаются от органических соединений живых 
организмов, например белков.
Помимо гумусовых соединений, многие природные воды содержат РОВ нефтяного ряда — различные углеводороды, фенолы 
и т.д. Обнаружены в водах и органические соединения, характерные для живых организмов, — белки, аминокислоты, углеводы, 
уксусная, масляная и другие кислоты, жиры, эфиры, альдегиды 
и т.д.
Наряду с гумусовыми веществами в некоторых подземных водах 
присутствуют и РОВ нефтяного ряда. В глубоких горячих подземных водах, где деятельность микроорганизмов невозможна, образование РОВ связано с термическим разложением органических 
соединений горных пород и другими сопутствующими процессами.
Органические вещества растворены и в термальных водах. Например, в горячих хлоридно-сульфатных водах медь, цинк, золото 
и другие металлы мигрируют в составе органических комплексов.