Инженерная экология: процессы и аппараты очистки сточных вод и переработки осадков

ИНЖЕНЕРНАЯ 

ЭКОЛОГИЯ

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ОЧИСТКИ 

СТОЧНЫХ ВОД И ПЕРЕРАБОТКИ ОСАДКОВ

А. B. ЛУКАНИН

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 специальностям 

19.02.01 «Биохимическое производство», 20.02.01 «Рациональное 

использование природохозяйственных комплексов», 

20.02.03 «Природоохранное обустройство территорий»

(протокол № 11 от 09.11.2020) 

УДК 628.3(075.32)
ББК 38.761.2я723
 
Л84

Луканин А. B.

Инженерная экология: процессы и аппараты очистки сточных вод 

и переработки осадков : учебное пособие / А. В. Луканин. — Москва : 
ИНФРА-М, 2022. — 605 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — 
(Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-16-016929-3 (print)
ISBN 978-5-16-109498-3 (online)
В учебном пособии дано описание состава и свойств сточных вод, пока
заны основные способы очистки сточных вод, основные приемы обработки осадков, а также аппаратурное оформление этих процессов.

Рассмотрены методы, процессы и аппараты механической и биологи
ческой очистки сточных вод, а также переработки и утилизации их осадка, 
приведены методы расчетов соответствующего оборудования.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов среднего профессионального образования последнего 
поколения.

Предназначено для студентов специальностей 19.02.01 «Биохимиче
ское производство», 20.02.01 «Рациональное использование природохозяйственных комплексов», 20.02.03 «Природоохранное обустройство 
территорий». Также будет полезно специалистам, работающим в области 
инженерной защиты окружающей среды.

УДК 628.3(075.32)
ББК 38.761.2я723

Л84

Р е ц е н з е н т ы:

Ксенофонтов Б. С., доктор технических наук, профессор, руководи
тель отдела Научно-исследовательского института энергетического машиностроения Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана;

Градова Н. Б., доктор биологических наук, профессор кафедры био
технологии Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева

ISBN 978-5-16-016929-3 (print)
ISBN 978-5-16-109498-3 (online)
© Луканин А.В., 2021

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium

Введение

Одной из самых актуальных проблем на современном этапе раз
вития общества является проблема охраны природы от загрязнений 
и рационального использования природных ресурсов.

Загрязнение окружающей среды особенно сильно отражается 

на состоянии открытых водоемов. Повышение концентрации загрязнений может привести к развитию в водоемах необратимых 
процессов, способствующих их истощению. Поэтому очистка сточных вод приобретает первостепенное значение как элемент контролируемого и управляемого воздействия человека на природу.

Резкое возрастание количества сточных вод создает серьезную 

угрозу исчерпания запасов пресной воды в густонаселенных и экономически важных районах. Поэтому важны охрана и рациональное использование водных ресурсов, предусматривающие их защиту от загрязнения и истощения, глубокая очистка загрязненных 
сточных вод на очистных станциях с их последующим использованием в техническом водоснабжении, а также сокращение и даже 
прекращение сброса промышленных сточных вод в реки.

С появлением туалетов со смывом, вода из которых направля
лась в ливнестоки, канализационные отходы стали попадать прямо 
в естественные водоемы. К концу 1870-х гг. многие водоемы в промышленно развитых городах были настолько засорены мертвой рыбой и так неприятно пахли из-за обеднения кислородом, что стали 
представлять собой серьезную угрозу для здоровья людей [15].

К началу XX в. проблемы загрязнения водоемов и очистки го
родских (бытовых и промышленных) стоков стали особенно важными. История применения биологической очистки началась 
со строительства в XIX в. первых полей фильтрации, на которых 
сточная вода очищалась путем фильтрования через слой почвы 
в естественном состоянии. Это позволило, в частности, использовать стоки в сельском хозяйстве.

Более совершенные устройства — биофильтры, разработанные 

по принципу полей фильтрации, однако лишенные присущих им 
недостатков (например, огромные занимаемые площади, прекращение работы в зимний период и др.), появились в Англии в 1893 г., 
а в России спустя 15 лет.

Примерно в 1914 г. появился метод очистки сточных вод с по
мощью активного ила в аэротенках, который применяется и сейчас как основной для глубокой очистки сточных вод, причем для 

больших потоков в настоящее время этот метод практически единственный [15].

Первая в России станция аэрофильтрации (Кожуховская) общей 

производительностью 37 тыс. м3 / сут была введена в эксплуатацию 
в Москве в 1929—1933 гг. На станции была удачно скомбинирована очистка стоков на аэротенках, биофильтрах и биологических 
прудах.

На сегодняшний день во всем мире биологическая очистка 

является основным методом удаления из городских сточных вод 
большей части органических и бактериальных загрязнений. На основе биологического метода разработаны сотни разнообразных 
устройств и сооружений, в которых этот метод используется как 
отдельно, так и вкупе с механическими или физико-химическими 
способами очистки.

Рост количества твердых отходов, достигший в промышленно 

развитых странах нескольких сотен кг в год на человека, привел 
к развитию методов переработки твердых отходов. По мере развития земледелия и роста городов, изъятия из недр полезных руд 
и минералов, сведения лесов, распашки полей, строительства дамб 
и каналов, роста количества загрязнений трансформация почвы 
становилась все более интенсивной, снижалось плодородие, нарушались естественные процессы самоочищения почв. В результате 
в Европе уже к началу XX в. леса и почвы в основном уже были 
«окультурены». Это привело к развитию методов восстановления 
поверхностного слоя и свойств почв (рекультивации, реабилитации, 
мелиорации).

Рост объемов потребляемого органического топлива, появление 

железных дорог, автомобильного транспорта, развитие промышленности привели к выделению в атмосферу большого количества 
вредных выбросов: газов (прежде всего оксидов серы и азота, монооксида углерода) и твердых частиц (сажи, пыли). К середине XX в. 
загрязнение атмосферы этими вредными примесями в крупнейших 
промышленных городах достигло критического предела, что стимулировало развитие методов очистки газов и газовоздушных выбросов, 
в том числе биологической очистки.

С развитием промышленности и сельского хозяйства, ростом 

городов стала очевидна необходимость принятия мер для улучшения среды обитания человека. К концу XIX в. состояние науки 
и инженерного дела позволило вплотную заняться проблемами 
утилизации загрязнений и отходов. В наибольшей степени внимание уделялось развитию городского коммунального хозяйства 
и очистке сточных вод.

Среди других методов биологической обработки, которые стали 

интенсивно развиваться с начала XX в., можно назвать методы 
анаэробного сбраживания сточных вод, осадков и твердых отходов, 
а также метод компостирования органических осадков и твердых 
отходов, который, хотя и использовался фермерами и садоводами 
с давних времен, в промышленных масштабах начал использоваться только в 1925 г. (в Индии). Дешевый компост стали также 
применять в промышленных системах для устранения запахов 
из воздуха и отработанных газов. Однако низкая производительность и короткое время жизни таких фильтров побудили к развитию более совершенных методов. Для очистки бытового газа были 
созданы фильтры, которые оказались очень эффективными, хотя 
в то время причины их действия не были известны.

Масштабными стали случаи загрязнения экосистем нефтью. 

В Российской Федерации ежегодные прямые проливы только 
нефти (без учета попадания в окружающую среду нефтепродуктов) 
оцениваются в 1—2 млн т.

В последние десятилетия серьезной проблемой в промышленно 

развитых странах стало увеличивающееся загрязнение почв и донных осадков. В течение долгого времени складирование отходов 
в почве рассматривалось как безопасный прием, поскольку попавшие в нее загрязнения могут разлагаться за счет естественных 
процессов. Однако продолжающийся рост загрязнения атмосферы, 
морей и океанов, поверхностных вод и подповерхностных пористых сред (почв, водоносных горизонтов) приводит к увеличению 
объемов и уровня накопления вредных веществ в различных почвенных средах и, как следствие, в продуктах сельского хозяйства, 
что придает новое содержание проблеме улучшения качества почв, 
повышения их плодородия, стоящей перед человеком со времен 
возникновения земледелия.

Обезвреживание и нейтрализация опасных соединений в по
чвах и других природных средах составляет суть процессов ремедиации — направления научной и практической деятельности, 
ориентированной на восстановление качества загрязненных почв, 
ландшафтов, наземных экосистем. Конечная цель ремедиации — 
полное удаление загрязнений и восстановление мультифункциональности почв.

Рост практической потребности в экономичных, эффективных, 

экологически чистых и безопасных методах очистки природных 
сред стимулировал развитие биологических методов и использование биотехнологий, основанных на способности живых организмов 
концентрировать и разлагать загрязнения.

В настоящее время в индустриально развитых странах биоло
гические методы все более активно используются для решения 
проблем очистки загрязненных сред и восстановления нарушенных экосистем. Найдены, селекционированы или созданы генноинженерными методами микроорганизмы, способные эффективно 
разлагать многие загрязнения, которые раньше считались устойчивыми к биодеградации; разработаны биологические тест-системы, способные селективно и оперативно определять загрязнения 
природных сред в различных концентрациях, вплоть до следовых 
количеств; достижения инженерной мысли позволили создать высокопроизводительные биореакторы, действенные и селективные 
методы разделения; активно разрабатываются технологии применения генетически модифицированных бактерий в деградации 
опасных веществ в биореакторах.

Среди примеров относительно новых направлений исследова
ний: очистка почв от тяжелых металлов растениями-концентраторами (фиторемедиация); удаление загрязнений из воды с помощью 
водорослей, бактерий, грибов и биосорбентов, созданных на их основе; очистка природных сред от загрязнений с помощью специфических биопрепаратов и др.

В области водоочистки и водоподготовки важное внима
ние уделяется проблемам обеспечения качества питьевой воды. 
Биологические методы эффективны при глубокой очистке воды, 
удалении избытка биогенных элементов, таких как азот и фосфор, 
для предотвращения эвтрофикации водоемов.

В области переработки, утилизации твердых, жидких, газооб
разных отходов применяются способы их микробиологической 
трансформации в полезные продукты: силосование и компостирование, переработка и обезвреживание активного ила, осадков 
сточных вод и донных осадков различными методами, вермикультивирование и вермикомпостирование (с использованием дождевых 
червей), ферментация и биокатализ [15].

На основе иммобилизованных ферментов и микробных клеток 

разрабатываются биокатализаторы для очистки и дезодорации отработанных газовоздушных потоков от вредных и дурнопахнущих веществ (спиртов, меркаптанов, альдегидов, кетонов, органических 
кислот и др.), проводятся работы по созданию биореакторов для 
очистки воздуха. Биотехнологические методы могут быть использованы и для уменьшения поступления метана, оксидов серы и азота 
в атмосферу.

Биоинженерные технологии все шире применяются для рекуль
тивации, диверсификации почв, реабилитации территорий, благо

устройства ландшафтов, защиты строительных конструкций и инженерных сооружений, озеленения территорий, защиты от эрозии 
почв, береговых линий, борьбы с почвенным засолением и закислением, сохранения и восстановления малых рек и т.п. [15].

Большое внимание уделяется биомониторингу и биотестирова
нию: использованию тест-систем для контроля очистки сточных 
вод, контроля загрязнения воздуха, почвы. Разработаны биологические тест-системы, позволяющие быстро и селективно определять 
качество и количество загрязнений в природных средах, вплоть 
до следовых количеств.

Важная прикладная задача — получение биодеградируемых пла
стиков. Биологические материалы и живые организмы также могут 
успешно использоваться для решения этой задачи.

Биологическая очистка, ремедиация или переработка отходов 

длительнее, но эффективнее, экологичнее и экономичнее, чем физические и химические методы, и сокращают образование вторичных отходов. Биологический материал включается в трофические 
цепи питания, природный круговорот веществ без образования 
отходов. В отличие от большинства физических или химических 
методов биологические способы позволяют полностью минерализовать органические загрязнения, процессы протекают в более мягких условиях и отличаются универсальностью или селективностью.

Цель экобиотехнологии — защита природных экосистем от ан
тропогенных и техногенных воздействий; основные способы домтижения этих целей — биовосстановление, биопереработка и биодеградация.

Предлагаемая книга ознакомит читателей с теорией и практикой 

проектирования современных сооружений, которые составляют 
основу биологической очистки сточных вод, газовоздушных выбросов и твердых отходов. Для каждого из перечисленных сооружений 
приведены методики технологического расчета, необходимые для 
определения их размеров, производительности и т.д.

Раздел I  

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА 

СТОЧНЫХ ВОД

Механическая очистка — это выделение из сточных вод находя
щихся в них нерастворенных грубодисперсных примесей, имеющих 
минеральную и органическую природу. Для этого применяются 
следующие методы:

— процеживание — задержание наиболее крупных загрязнений 

и частично взвешенных веществ на решетках и ситах;

— отстаивание — выделение из сточных вод взвешенных ве
ществ под действием силы тяжести на песколовках (для выделения 
минеральных примесей), отстойниках (для задержания мелких оседающих и всплывающих примесей), а также нефтеловушках, масло- и смолоуловителях;

— фильтрование — задержание очень мелких частиц суспензии 

на сетчатых и зернистых фильтрах.

В настоящее время как самостоятельный метод механическую 

очистку применяют редко. В основном ее используют как предварительный этап перед биологической очисткой или в качестве доочистки стоков.

Глава 1  

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТОЧНЫХ ВОД

1.1. СОСТАВ СТОЧНЫХ ВОД

По физическому состоянию загрязнения сточных вод классифи
цируются следующим образом:

1) нерастворимые примеси, находящиеся в воде в виде крупных 

взвешенных частиц (частицы диаметром более десятых долей миллиметра) и в виде суспензии, эмульсии и пены (частицы диаметром 
от десятых долей миллиметра до 0,1 мкм);

2) коллоидные частицы диаметром от 0,1 до 0,001 мкм;
3) растворимые частицы, находящиеся в воде в молекулярно
дисперсном состоянии и имеющие диаметр < 0,001 мкм; они уже 
не образуют отдельной фазы, система становится однофазной — 
истинным раствором.

По своей природе загрязнения делятся на минеральные, органи
ческие, бактериальные и биологические.

К минеральным загрязнениям относятся пески, глинистые час
тицы, частицы руд, шлаков, растворы минеральных солей, кислот 
и щелочей, минеральные масла, железо, кальций, магний, кремний, калий и другие неорганические вещества.

Органические загрязнения бывают растительного и животного 

происхождения. К растительным загрязнениям относятся: остатки 
растений, плодоовощей и злаков, бумага, масла (растительные) 
и пр. Основным химическим элементом таких загрязнений является углерод. К загрязнениям животного происхождения относятся 
физиологические выделения людей и животных, остатки мускульных и жировых тканей животных, клеевые вещества и пр. Они характеризуются довольно значительным содержанием азота. Кроме 
того, в сточных водах содержатся фосфор, сера и водород.

Бактериальные и биологические загрязнения — это различные 

микроорганизмы: дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли 
и бактерии, в том числе болезнетворные — возбудители брюшного 
тифа, паратифа, дизентерии и др. Этот вид загрязнений свойствен 
в основном бытовым водам и некоторым видам производственных 
сточных вод (сточным водам боен, кожевенных заводов, шерстомоек, биофабрик и т.п.). По своему химическому составу они относятся к органическим загрязнениям, но выделяются в отдельную 
группу ввиду особого взаимодействия с загрязнениями других видов.