Обработка осадков сточных вод

ОБРАБОТКА ОСАДКОВ 

СТОЧНЫХ ВОД

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва
ИНФРА-М

2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений, обучающихся 

по укрупненной группе специальностей и направлений 

20.04.00 «Техносферная безопасность и природообустройство» 

(квалификация (степень) «магистр») 

(протокол № 10 от 27.05.2019)

УДК 628.3(075.8)
ББК 38.761.2я73
 
К86

Р е ц е н з е н т ы:

Г.И. Воробьева, доктор технических наук, профессор, почетный 

химик РФ, главный научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности Российской академии наук;

А.В. Луканин, доктор технических наук, профессор Российского 

университета дружбы народов

ISBN 978-5-16-014577-8 (print)
ISBN 978-5-16-107075-8 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium

© Ксенофонтов Б.С., 2019

Ксенофонтов Б.С.

К86  
Обработка осадков сточных вод : учебное пособие / Б.С. Ксенофон
тов. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 262 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/
textbook_5d0c6a6ec8d5f8.14129585.

ISBN 978-5-16-014577-8 (print)
ISBN 978-5-16-107075-8 (online)
В учебном пособии изложены технологические основы обработки, ути
лизации и ликвидации осадков сточных вод. Большое внимание уделено 
выбору наилучших технологий обезвоживания осадков сточных вод, в том 
числе избыточного активного ила, а также их утилизации. Рассмотрен зарубежный опыт, в том числе Скандинавских стран, обработки и утилизации осадков сточных вод в качестве органоминерального удобрения, а также отечественный опыт сжигания осадков.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Предназначено для студентов магистратуры, обучающихся спосо
бам обработки осадков природных и сточных вод, также рекомендуется 
для укрупненной группы специальностей и направлений 20.00.00 «Техносферная безопасность и природообустройство». Будет полезно аспирантам, преподавателям и специалистам, интересующимся проблемами 
очистки сточных вод.

УДК 628.3(075.8)
ББК 38.761.2я73

Введение

Обезвоживание и утилизация осадков сточных вод, включая 
избыточный ил, — достаточно сложная задача. Можно констатировать, что эта задача является актуальной проблемой для большинства стран мира.
Особого внимания заслуживает проблема обезвоживания 
и утилизации избыточного активного ила, которого, по различным 
данным, ежегодно в нашей стране образуется около 3,5 млн т. Утилизация такого большого количества биомассы микроорганизмов 
ила требует исследования и развития различных направлений ее 
использования. Проблема утилизации осадков сточных вод и активного ила в определенной мере сдерживается наличием в них 
токсичных примесей, в том числе тяжелых металлов, а также 
слабой разработанностью способов переработки этих трудно обезвоживаемых систем.
Большое влияние на процесс уплотнения и последующего сгущения активного ила и его утилизацию оказывает режим выращивания микробной биомассы, а также ее предварительная подготовка с помощью физических и химических методов. Уплотнение 
осадков сточных вод является первичной стадией их обработки 
и предназначено для уменьшения объемов этих осадков. Наиболее 
распространенный способ обработки осадков — гравитационное 
уплотнение — осуществляется в отстойниках-уплотнителях.
Стабилизация осадков используется для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества, что предотвращает загнивание осадков при длительном хранении на открытом 
воздухе (сушка на иловых площадках, использование в качестве 
сельскохозяйственных удобрений и т.п.).
Кондиционирование проводят к разрушению коллоидной структуры осадка органического происхождения и увеличению его водоотдачи. Применяется на практике в основном реагентный метод 
кондиционирования.
Обезвоживание осадков сточных вод предназначено для получения осадка влажностью около 60–80%. Обезвоживание осуществляется как механическим, так и термическим способом, а также 
путем сушки осадков на иловых площадках. Механическое обезвоживание как наиболее дешевое осуществляют с использованием 
шнековых сгустителей (обезвожителей), вакуум-фильтров, цен

трифуг, фильтр-прессов; термическое обезвоживание — с использованием сушилок различного типа.
Утилизация или ликвидация осадков сточных вод во многом 
определяется их составом, и прежде всего содержанием токсичных 
примесей, в том числе тяжелых металлов.
Указанные проблемы и являются предметом исследования данного пособия. В отдельных случаях теория подкрепляется практическими расчетами. При этом следует особо отметить, что, согласно 
СП 32.13330.2012 («Свод правил. Канализация. Наружные сети 
и сооружения»), расчет сооружений для очистки производственных 
сточных вод и обработки их осадков следует выполнять на основании данных научно-исследовательских и инжиниринговых организаций, опыта эксплуатации действующих аналогичных сооружений с учетом указанного свода правил и норм проектирования 
предприятий соответствующих отраслей промышленности.
Решения перечисленных выше задач в данном пособии рассматриваются с ориентацией на использование наилучших доступных 
технологий (НДТ) с учетом их постепенного освоения в Российской Федерации.
Следует отметить, что пока обсуждается и уточняется возможный порядок использования НДТ. Однако надо понимать, 
в каких случаях использовать ту или иную технологию.
При освоении материала данного пособия планируется формирование у студентов компетенций, предусмотренных основной 
профессио нальной образовательной программой на основе Федерального государственного образовательного стандарта или Самостоятельно устанавливаемого образовательного стандарта по направлению подготовки 20.04.01 «Техносферная безопасность» (профиль 20.04.01_01 «Комплексное использование водных ресурсов», 
уровень магистратуры).
В результате освоения дисциплины обучающиеся должны:
знать
 
– нормативные докумен ты, в том числе справочники по НДТ 
природоохранного направления, указывающие на пути обработки и утилизации осадков сточных вод;
 
– состав и свойства осадков сточных вод;
 
– методы уплотнения осадков сточных вод, в том числе активного ила;
 
– основы аэробной и анаэробной обработки осадков сточных 
вод;
 
– способы механического обезвоживания и термической сушки;
 
– основные направления утилизации осадков сточных вод;

уметь
 
– находить решения по улучшению экологической обстановки 
в местах образования осадков сточных вод;
 
– рассчитывать оборудование для уплотнения и обезвоживания осадков сточных вод;
 
– разрабатывать регламент на технологию обезвоживания 
и утилизации осадков сточных вод;
владеть
 
– нахождением рацио нальных решений по обработке и утилизации осадков сточных вод;
 
– разработкой технологических схем уплотнения, механического обезвоживания и термической сушки осадков сточных 
вод с их последующей утилизацией;
 
– технологией складирования осадков сточных вод.

Глава 1. 
ПРИМЕРНЫЙ СОСТАВ, СВОЙСТВА 
И КОНТРОЛЬ СВОЙСТВ ВОДООТДАЧИ 
ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД

Осадки представляют собой суспензии, выделяемые из сточных 
вод в процессе их механической, химической, физико-химической 
и биологической очистки. При обработке осадков сточных вод предусматриваются максимальное снижение их влажности и объема, 
стабилизация и обеззараживание для подготовки к утилизации 
или ликвидации.
В зависимости от способа очистки сточных вод и типа очистных 
сооружений образующиеся осадки имеют вид грубодисперсных 
отбросов, тяжелых взвесей, оседающих в песколовках; всплывающих и седиментирующих как органических, так и минеральных 
примесей. Особым видом осадков является активный ил, отделяющийся во вторичных отстойниках при биологической очистке 
сточных вод. В зависимости от вида обработки осадки подразделяются:
 
– на анаэробно-сброженные в осветлителях-перегнивателях, 
двухъярусных отстойниках или метантенках;
 
– аэробно-стабилизированные — активный ил или его смесь 
с осадком из первичных отстойников или специальных стабилизаторов;
 
– уплотненный активный ил, осадок или смеси из уплотнителей;
 
– промытый уплотненный сброженный осадок;
 
– сгущенный активный ил из сепараторов или центрифуг;
 
– сфлотированный активный ил или осадок;
 
– обезвоженный осадок после аппаратов механического обезвоживания;
 
– подсушенный осадок с иловых площадок; термически высушенный осадок и т.п.
Состав и свойства осадков из первичных и вторичных отстойников зависят от характера очищаемых сточных вод и прежде всего 
от вида и количества производственных сточных вод, очищаемых 
совместно с бытовыми. Средняя влажность осадка, выгружаемого 
из первичных отстойников, составляет примерно 94–97% при самотечном удалении и 93–95% при удалении плунжерными насосами. 

Влажность активного ила, отводимого из вторичных отстойников, 
после аэротенков достигает примерно 99,1–99,4%, после биофильтров — 95–96%. Активный ил, уплотненный в илоуплотнителях 
вертикального типа, имеет среднюю влажность 97–98%, в илоуплотнителях радиального типа — примерно 95–97%.
Для ориентировочных расчетов количество смеси осадка первичных отстойников и уплотненного избыточного активного ила 
при средней влажности 96,5% может приниматься равным 0, 7–0,9% 
объема очищаемых сточных вод.
Количество осадка, образующегося при физико-химической 
очистке сточных вод, зависит от вида и дозы принятых реагентов. 
При этом влажность осадка составляет примерно 95–96%.
При сбраживании смеси осадка из первичных отстойников 
и уплотненного избыточного активного ила средняя влажность выгружаемой массы может составлять: из метантенков — 97%, из двухступенчатых метантенков и осветлителей-перегнивателей — 93%, 
из аэробных стабилизаторов после 1,5–5-часового уплотнения — 
95–97%.
Большую часть сухого вещества осадка из первичных отстойников и активного ила составляют органические вещества. В сыром 
осадке из первичных отстойников белков заметно меньше, а углеводов больше, чем в активном иле. Сухое вещество осадка из первичных отстойников имеет следующий примерный состав, % 
по массе: углерод — 35–85; водород — 4–8; сера — 0,3–0,8; азот — 
1,6–7,5; кислород — 6,5–30,5. Сухое вещество активного ила содержит 45–65% углерода; 5,5–7,1% водорода; 0,7–2,5% серы; 3,0–
8,5% азота; 15,5–44,0% кислорода.
В осадках сточных вод могут также содержаться свинец, кобальт, 
кадмий, ртуть и другие элемен ты. Химический состав осадков оказывает существенное влияние на их обработку. Соединения железа, 
алюминия, хрома, меди, а также кислоты, щелочи способствуют 
улучшению процесса осаждения, уплотнения и обезвоживания 
осадков, снижению расхода химических реагентов на их коагуляцию перед обезвоживанием. Масла, жиры, азотистые соединения 
усиливают газовыделение при сбраживании осадков, что приводит 
к нарушению процессов уплотнения и сгущения.
Водоотдача осадков во многом зависит от размера частиц 
их твердой фазы. Чем мельче частицы, тем хуже водоотдача осадков. 
Органическая часть осадков быстро загнивает, что сопровождается 
появлением неприятного запаха; при этом увеличивается количество коллоидных и мелкодисперсных частиц, вследствие чего 
снижается водоотдача осадков.

По данным московских очистных станций, в осадке первичных 
отстойников содержание частиц размером более 7–10 мм составляет 5–20%, размером 1–7 мм — 9–33% и размером менее 1 мм 
50–88% общей массы сухого вещества. Сброженный в метантенках 
осадок по сравнению со свежим имеет более мелкую и однородную 
структуру и содержит в среднем 85% частиц размером менее 1 мм. 
В активном иле количество частиц размером менее 1 мм достигает 
98%; размером 1–3 мм — 1,6%; более 3 мм — 0,4% массы сухого вещества. Удельное сопротивление осадков фильтрации — сопротивление единицы массы твердой фазы, отлагающейся на единице площади фильтра при фильтровании под постоянным давлением суспензии, вязкость жидкой фазы которой равна единице. Удельное 
сопротивление, характеризующее водоотдачу осадков, определяет 
необходимость и степень обработки осадков перед механическим 
обезвоживанием, выбор метода обработки осадков и расчет соответствующих сооружений. Свежий сырой осадок из первичных отстойников и неуплотненный активный ил имеют значительно меньшие 
удельные сопротивления, чем сброженные осадки и уплотненный 
активный ил. Сбраживание осадков, несмотря на минерализацию, 
ухудшает их водоотдачу.
Формы связи воды с частицами твердой фазы различны. Влага 
в осадках может находиться в химической, физико-химической, 
физико-механической связи с твердыми частицами, а также 
в форме свободной влаги. Чем больше связанной влаги в осадке, 
тем больше энергии нужно затратить на ее удаление. Увеличение 
водоотдачи осадков достигается перераспределением форм связи 
влаги с твердыми частицами в сторону увеличения свободной 
и уменьшения связанной влаги путем коагуляции осадков химическими реагентами, введения присадочных материалов, замораживания с последующим оттаиванием, тепловой обработки и другими методами.
Теплофизические характеристики осадков необходимы для правильной организации и расчета процессов их термической обработки. Теплота сгорания сухого вещества осадков в среднем составляет 16,7–18,4 МДж/кг. При увеличении влажности и зольности 
осадков возрастает их удельная теплоемкость и снижаются теплота 
сгорания и выход летучих.
Осадки сточных вод — это суспензии, в которых дисперсной 
фазой являются твердые частицы органического и минерального 
происхождения, а дисперсионной средой — вода с растворенными в ней веществами. Большое значение в процессах обработки 

осадков имеет контроль свойств водоотдачи осадков сточных вод. 
Рассмотрим эти свойства подробнее.
Влажность — содержание массы воды в 100 кг осадка, %:

 

сух

ос
ос
100 1
m
P
W
⎛
⎞
=
−
⎜
⎟
ρ
⎝
⎠
 

или

 
Р = 100(mос – mсух) /mос,

где mос, mсух — масса и сухой остаток осадка, кг; Woc — объем осадка, 
м 3; ρос — плотность осадка, кг/м 3.
Величина влажности не позволяет оценить в достаточной мере 
возможность, условия и степень удаления влаги из осадка. Это 
обусловлено сложностью его структуры и особенностями распределения в ней воды. Однако только направленным воздействием 
на структуру осадка можно обеспечить эффективность процессов 
его обезвоживания.
Удельное сопротивление фильтрации осадка, как отмечено 
выше, определяют в виде сопротивления, оказываемого движению 
фильтрата через слой кека, отложившегося на 1 м 2 поверхности 
фильтрата и содержащего 1 кг сухого вещества. Удельное сопротивление фильтрации r (м/кг) определяется по формуле

 
2
2
,
pF
r
C
w
τ
=
⋅
μ ′
 

где p — разность давления, Па; F — площадь фильтра, м 2; μ — динамическая вязкость, Па·с; С′ — масса твердой фазы кека, откладывающейся на фильтре при получении единицы объема фильтрата, 
кг/м 3; τ — период фильтрования, с; w — объем фильтра, полученный 
за период τ, м 3.
Скорость фильтрования будет увеличиваться, оставаться постоянной или уменьшаться при увеличении p в зависимости от того, 
будет ли значение S меньше, равно или больше единицы:

 
(
)
1

1

lg
/
,
lg(
/
)
r
r
S
p
p
=
 

где r1 и r — значения удельного сопротивления фильтрации при разности давлений фильтрования p1 и p соответственно.

В качестве критерия, характеризующего водоотдачу осадка 
в центробежном поле, предложен индекс центрифугирования Jc 
(м3/кг), определяемый по формуле

 
o
1000
/ (
),
c
k
J
W
CW
=
 

где Wk — объем кека, равный (Wo – Wф), м 3; Wф — объем фугата, м 3; 
C — концентрация твердой фазы осадка, кг/м 3; Wo — объем осадка, 
м 3.
Увеличение эффективности обезвоживания осадка центрифугированием достигается при величине индекса не менее 6–8.
Способность осадка к обезвоживанию можно также установить 
путем измерения времени капиллярного всасывания. Наиболее 
простым методом экспресс-контроля оценки водоотдающих свойств 
является измерение расстояния (или времени) капиллярного всасывания воды фильтровальной бумагой.
Недостатком этого метода экспресс-контроля является плохая 
воспроизводимость результатов опытов. Получение сопоставимых 
результатов требует определенных сортов дорогостоящей дефицитной бумаги, используемой в качестве подложки.
Усовершенствование способа экспресс-контроля состоит в том 
числе в подборе материала фильтровальной подложки, который бы 
не был дорогостоящим, дефицитным и удовлетворял основному 
требованию эксперимента — хорошей воспроизводимости результатов при определении водоотдающей способности осадка.
Как известно, экспресс-контроль основан на капиллярном впитывании влаги, отделяющейся от твердой фазы осадка, пористой 
подложкой в виде фильтровальной бумаги. При впитывании влаги 
происходит увеличение смоченной поверхности и по истечении 
определенного времени (15 мин) измеряется диаметр D смоченной 
поверхности (рис. 1.1, а). Для удобства нами усовершенствован 
способ проведения подобных измерений путем использования 
специального индикатора в виде пластмассового цилиндра с намотанной на его поверхность фильтровальной бумагой «синяя лента» 
(рис. 1.1, б). В этом случае эффект водоотдачи измеряется по высоте столба поднятия жидкости H или по времени достижения 
определенного значения высоты столба.
Тестовые испытания предлагаемым способом были проведены 
на следующих объектах: вода водопроводная, суспензия активного 
ила без добавления реагентов и суспензия активного ила с добавлением флокулянта А130 (рис. 1.2).