Водоподготовка и водоотведение

ВОДОПОДГОТОВКА 
И ВОДООТВЕДЕНИЕ

Б.С. Ксенофонтов

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва 

ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М

2022

Рекомендовано в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлениям подготовки 20.04.01 «Техносферная безопасность»,

20.04.02 «Природообустройство и водопользование»

(квалификация (степень) «магистр»)

А в т о р:

Ксенофонтов Б.С. — доктор технических наук, профессор кафедры 

«Экология и промышленная безопасность» МГТУ имени Н.Э. Баумана

УДК  628(075.8)
ББК 38.761я73
 
К86

Ксенофонтов Б.С. 

К86  
Водоподготовка и водоотведение : учебное пособие / Б.С. Ксено
фонтов. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2022. — 298 с. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/textbook_59914dc
6f26908.18972228.

ISBN 978-5-8199-0679-8 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-012810-8 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-106075-9 (ИНФРА-М, online)

В предлагаемом пособии основной акцент сделан на подготовке очища
емой воды к отделению загрязнений путем использования реагентов или 
физического воздействия на водную систему с последующим извлечением 
различных примесей. Также описаны различные технологии очистки как 
природных, так и сточных вод, применяемые в зависимости от конкретных 
условий решаемой задачи.

Соответствует требованиям Федерального государственного образова
тельного стандарта высшего образования последнего поколения.

Книга предназначена для студентов магистратуры, аспирантов, препо
давателей и специалистов, интересующихся способами очистки природных 
и сточных вод, и рекомендуется для укрупненной группы специальностей 
и направлений 20.00.00 «Техносферная безопасность и природообустройство». 

УДК 628(075.8)
ББК 38.761я73

Р е ц е н з е н т ы:

Акопян В.Б. — доктор биологических наук, профессор, заведующий 

отделом АО «Государственный НИИ биосинтеза белковых веществ»;

Луканин А.В. — доктор технических наук, профессор, генеральный 

директор НПП «Медбиопром» 

ISBN 978-5-8199-0679-8 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-012810-8 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-106075-9 (ИНФРА-М, online)

© Ксенофонтов Б.С., 2017
© ИД «ФОРУМ», 2017

Предисловие

Очистка природных и сточных вод становится основой подготовки 
специалистов по направлению «Техносферная безопасность». При 
этом следует отметить, что постоянное ужесточение требований к качеству очистки как природных, так и сточных вод требует использования новых технологий. Причем слушатели должны сначала осваивать их, а затем разрабатывать на их основе новые оригинальные способы очистки природных и сточных вод. Важнейшее значение при 
изучении физико-химических способов очистки вод имеет понимание 
перевода разделяемой (очищаемой) водной системы из устойчивого 
состояния в неустойчивое (необходимое условие), а затем отделения 
извлекаемых загрязнений (достаточное условие очистки). На каждой 
из этих стадий в большинстве случаев имеются резервы, и в этой связи 
следует 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 важное значение имеет понимание возможностей окисления 
различных загрязнений микроорганизмами активного ила, а также 
знание потенциальных путей утилизации избыточного активного 
ила. Такие возможности достаточно подробно изложены в данном 
пособии.
В последнее время в России рассматриваются возможности использования наилучших доступных технологий (НДТ). Следует отметить, что пока обсуждается и уточняется возможный порядок их 
применения. Кроме того, обсуждаются варианты использования 
эффективных технологий. Во всех случаях надо понимать, когда 
можно использовать ту или иную технологию.
При освоении дисциплины по данному пособию планируется 
формирование компетенций, предусмотренных основной профессиональной образовательной программой на основе ФГОС или 
СУОС по направлению подготовки 20.04.01 «Техносферная безопасность» (профиль подготовки «Комплексное использование водных 
ресурсов», уровень магистратуры). В результате освоения дисциплины обучающиеся должны:
знать
 
• характеристики находящихся в различных состояниях загрязнений в природных водах; 

• основные способы очистки природных вод и водоочистное оборудование; 
 
• специальные способы очистки природных вод и их обеззараживания; 
 
• взаимодействие загрязнений, находящихся в природных водах, 
и их влияние на качество очищаемой воды; 
 
• методику выбора технологии очистки природных вод с учетом 
взаимодействия загрязнений; 
 
• характеристики находящихся в различных состояниях загрязнений в сточных водах; 
 
• требования к очистке сточных вод, сбрасываемых 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 очищаемых вод; 
 
• 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; 
 
• осуществлять 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 них загрязнений; 
 
• методами создания безопасных режимов эксплуатации водоочистных установок.
Рассмотрению вышеуказанных проблем, 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 обнаружены почти все элементы 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 лишь 11,2%).
Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах 
равнобедренного треугольника с длиной связи О–Н 0,0957 нм, при 
этом валентный угол Н–О–Н составляет 104,5°. Физические 
свойства воды аномальны. Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объема примерно на 9%. Температурный коэффициент объемного расширения льда и воды отрицателен при температурах соответственно ниже –210 и 3,98°С. 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 зависимости 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. При 
этом атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами О, N, Cl и др. Трехмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует в интервале от температуры плавления до критической. Увеличение плотности при плавлении, как 
и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением 
водородных связей и отклонением углов между ними от тетраэдри

ческих. Искривление связей увеличивается с повышением температуры и давления, что приводит к возрастанию плотности. Причем 
при нагревании средняя длина водородных связей становится 
больше, в результате чего плотность уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет наличие максимума плотности воды 
при 4°С.
Химические свойства воды так же, как и физические, отличаются 
определенными 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. Но при этом протон находится не точно посередине 
этой укороченной связи, а ближе к одному из атомов О, поэтому 
можно считать, что в воде существует гидратированный ион оксония 
Н3О+. Это явление играет весьма 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 — бром и йод. При повышенных температурах хлор и бром 
разлагают воду с образованием кислот и О2. При пропускании паров 
воды, например, 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 катализатора Fe: H2O + CO = CO2 + H2
 
• в присутствии 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 щелочноземельными 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°С:

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 низка 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 иондипольные 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 растворах многозарядные ионы (например, Аl3+) и однозарядные (например, 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 состояний воды в различных соединениях. Вода в зависимости от распределения среди других веществ разделяется на 
пять 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, которая находится в цеолитах, опалах, 
глинах; 
4) смачивающая вода, называемая иногда адсорбционной водой 
и встречающаяся на поверхности стекла, кварца, ртути, в «полостях» 
железа; 
5) физиологически связанная вода. Она находится в тканях живых 
существ и очень отличается от кристаллизационной воды.
Таким образом, вода является одним из достаточно сложных веществ как по физическим, так и по химическим показателям.
Химический состав природных вод по преобладающему ионному 
составу делится 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 элементов, называемых в этом случае макроэлементами. Число их, как правило, не 
превышает 10. Зато число микроэлементов, содержание которых 
в воде не превышает 0,01%, составляет в большинстве случаев десятки наименований.
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.М. 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
Воды, переходные к рассолам

50,0–400,0
Рассолы

В гидросфере преобладают соленые воды, к которым относятся 
и воды Мирового океана. Среди подземных вод преобладают соленые воды и рассолы, а среди поверхностных вод материков — чаще 
всего пресные и ультрапресные воды. Питьевая вода хорошего качества, по Овчинникову, содержит <500 мг солей в 1 л, при этом широко используются воды с минерализацией до 1 г/л, а в некоторых 
районах даже до 3 г/л.
Следует отметить, что верхнюю границу ультрапресных вод 
многие ученые понижают до 0,1 г/л. Воды с таким содержанием 
солей распространены в районах с преимущественным расположением силикатных пород. Самая подробная классификация природных вод по наличию солей разработана известным гидрогеологом 
Н.И. 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 стали основное внимание 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 элементов в свободном состоянии, только 
инерт ные газы — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон, также 
в воде в свободной форме частично находятся кислород и азот.
Ионный состав природных вод определяет особенности их использования как в народном хозяйстве, так и в медицине. При этом