Очистка сточных вод

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

А. Г. Кутузов, Г. Р. Патракова, М. А. Рузанова 

О Ч И С Т К А  С Т О Ч Н Ы Х  В О Д

Учебно-методическое пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2020

УДК 574(075)
ББК 28.081я7

К95

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. И. А. Якушев

д-р техн. наук Б. А. Снигерев

К95

Кутузов А. Г.
Очистка сточных вод : учебно-методическое пособие / А. Г. Кутузов,
Г. Р. Патракова, М. А. Рузанова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 108 с.

ISBN 978-5-7882-2849-5

Системно изложен материал, раскрывающий основные понятия и принципиаль
ные научные положения курса «Экология», общие вопросы экологии. Подробно рассмотрены характеристика сточных вод, показатели качества воды в водоемах и основные методы механической очистки. Большое внимание уделено методам химической 
и биологической очистки сточных вод и повторному использованию технической 
воды и промышленных стоков. В конце пособия приведены вопросы для подготовки 
к экзамену (зачету), тестовые задания, задачи.

Предназначено для студентов, обучающихся по программам бакалавриата 

направления подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника», «Технологические 
машины и оборудование», «Химическая технология», «Продукты питания из растительного сырья», «Техносферная безопасность», «Управление в технических системах», а также для слушателей курсов переподготовки специалистов в системе 
послевузовского образования.

Подготовлено на кафедре химической кибернетики.

ISBN 978-5-7882-2849-5
© Кутузов А. Г., Патракова Г. Р., 

Рузанова М. А., 2020

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 574(075)
ББК 28.081я7

В В Е Д Е Н И Е

В химической технологии широко распространены процессы, свя
занные с разделением жидких и газовых неоднородных систем. Выбор 
метода их разделения обусловливается главным образом размерами 
взвешенных частиц, разностью плотностей дисперсной и сплошной фаз, 
а также вязкостью сплошной фазы. Применяют следующие основные 
методы разделения: осаждение, фильтрование, центрифугирование, 
мокрое разделение. Эти методы лежат в основе гидромеханических 
процессов разделения неоднородных систем.

Осаждение представляет собой процесс разделения, при котором 

взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием силы тяжести, сил инерции 
(в том числе центробежных) или электростатических сил. Осаждение, 
происходящее под действием силы тяжести, называется отстаиванием. 
В основном отстаивание применяется для предварительного, грубого 
разделения неоднородных систем.

Фильтрование – процесс разделения с помощью пористой перего
родки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные в среде твердые частицы. Оно осуществляется под действием 
сил давления или центробежных сил и применяется для более тонкого 
разделения суспензий и пыли по сравнению с осаждением.

Центрифугирование – процесс разделения суспензий и эмульсий 

в поле центробежных сил. Под действием этих сил осаждение сочетается с уплотнением образующегося осадка, а фильтрование – с уплотнением и механической сушкой осадка.

Мокрое разделение – процесс улавливания взвешенных в газе ча
стиц какой-либо жидкостью. Оно происходит под действием сил тяжести или сил инерции и применяется для очистки газов и разделения суспензий. При обработке суспензий мокрое разделение используют в комбинации с другими способами разделения (промывка осадков в процессах отстаивания и фильтрования).

В процессах эксплуатации промышленного оборудования образу
ются сточные воды, которые требуют специальной очистки перед сбросом в канализационные системы. Наиболее распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества, соединения 
меди, цинка, аммонийный и нитратный азот, лигнин, ксантогенаты, 

анилин, метилмеркаптан, формальдегид и др. Например, сточные воды 
заводов черной и цветной металлургии загрязнены большим количеством взвешенных минеральных веществ, содержат цветные металлы 
и железо, сульфаты, хлориды, смолы, масла, серную кислоту, железный 
купорос. Нефтеперерабатывающие заводы и нефтепромыслы сбрасывают нефть и нефтепродукты, хлориды, взвешенные вещества, в сточных водах возможно присутствие железа и сероводорода. Большую 
опасность представляют сточные воды коксохимических предприятий, 
в которых содержатся смолы, масла, фенолы, аммиак, цианиды, роданиды, большое количество солей неорганических кислот и взвешенных 
веществ. К сильно загрязненным сточным водам, трудно поддающимся 
очистке, относятся жидкие стоки целлюлозно-бумажных комбинатов 
(растворенные органические вещества, волокно, каолин и др.). Машиностроительные и автомобильные заводы сбрасывают цианиды, хром, 
масла и окалину. Основные загрязнители текстильных предприятий –
красители, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ).

Сточные воды любого промышленного предприятия содержат спе
цифические загрязнения, которые должны удаляться (нейтрализоваться) 
до смешения со стоками другого производства или населенного пункта. 
Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о возможной реализации бессточных систем путем повторного использования очищенных сточных вод. Повторное использование очищенных сточных вод 
в системах промышленного водоснабжения в полной мере зависит от 
конкретных местных условий, применяемых технологий и определяется главным образом возможностью предприятия и целесообразностью. 

Существует три основных вида очистных сооружений для сточных 

вод: локальные, заводские, районные, городские.

Локальные, или цеховые, очистные сооружения предназначены для 

обезвреживания сточных вод или извлечения из них ценных компонентов непосредственно после технологических установок или цехов. 
На локальных установках механической очистки, коагуляции, электроосаждения, фильтрования, ультрафильтрации очищают сточные воды, 
которые нельзя направлять без предварительной очистки в систему повторного и оборотного водоснабжения на общие заводские либо районные очистные сооружения. 

Многие крупные предприятия располагают общезаводскими очист
ными сооружениями, которые имеют установки для механической, физико-химической и биологической очистки. 

Районные или городские очистные сооружения предназначены для 

очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод района 
или города. При совместной очистке сточных вод в последних регламентируется содержание растворимых, взвешенных и всплывающих 
веществ, продуктов, способных разрушать или засорять коммуникации, 
взрывоопасных и горючих веществ, а также температура. 

Выбор метода очистки зависит от концентрации загрязнений 

в сточных водах и количества твердых отходов, образующихся в основном производстве и на стадии очистки, а также от эколого-экономических показателей процесса. По этим причинам сточные воды промышленных предприятий должны подвергаться обязательной локальной 
очистке в целях максимального снижения потерь сырья со сточными 
водами, сокращения потребления чистой воды, уменьшения сброса 
сточных вод по объему и количеству загрязняющих веществ в водоемы,
снижения объема внезаводских очистных сооружений и капитальных 
вложений в их строительство. 

5

О Б Щ А Я  Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А  С Т О Ч Н Ы Х  В О Д .  

О С Н О В Н Ы Е  М Е Т О Д Ы  О Ч И С Т К И

Сточные воды являются сложными системами, в которых мине
ральные и органические примеси находятся в растворенном, нерастворенном и коллоидном состояниях. Разнообразие состава и характера 
примесей производственных сточных вод обусловливает применение 
для их очистки различных механических, химических, физико-химических и биологических методов. Академиком Л. А. Кульским разработана классификация примесей по их фазово-дисперсному составу, позволяющая целенаправленно подбирать методы очистки сточных вод 
(табл. 1).

Таблица 1

Классификация примесей и методы очистки сточных вод

Показатели и 
методы 
очистки

Примеси

Гетерогенные
Гомогенные

Группа I
Группа II
Группа III
Группа IV

Размер 
частиц

10-2–10-5см
10-5–10-6см
10-6–10-7см
10-8 см

Характеристика

ГДП и взвеси: суспензии, эмульсии, 
патогенные микроорганизмы

Коллоидные частицы, 
высокомолекулярные 
соединения и вирусы

Молекулярные растворы (газы, растворимые в воде органические 
при
меси)

Ионные растворы 
(соли, 
кислоты, 

основания)

Методы
очистки

Механическое 
безреагентное 
разделение
Окисление Cl2, 
O3
Флотация 
сус
пензий и эмульсий

Коагуляция коллоидных примесей
Флокуляция
Мембранные методы 
разделения
Окисление Cl2, O3
Адсорбция на гидроксидах алюминия
Электродиализ, электрофорез

Адсорбция газов и 
летучих соединений
Окисление Cl2, O3, 
КМnО4
Экстракция органическими 
рас
творителями
Адсорбция на активированном 
угле

Разделение 
воды и ионов 
мембранными 
методами
Перевод ионов 
в малорастворимые в воде соединения
Фиксация ионов 
на твердой фазе 
ионитов

При очистке сточных вод промышленных технологий применяют 

фильтрование, осаждение, флотацию, коагуляцию, нейтрализацию 
и другие методы. Перспективны методы с использованием процессов 
мембранной технологии, электрокоагуляции, озонирования, биологической очистки. 

По содержанию примесей стоки разделяют на воды: с нераствори
мыми примесями частиц размером больше 10− –10−4 мм, представляющие собой коллоидные растворы; содержащие растворимые органические и неорганические вещества; содержащие вещества, диссоциирующие на ионы. 

Способы очистки промышленных стоков можно классифицировать 

по составу фаз, дисперсному и химическому составам. Рассмотрим основные из них. 

Механические методы очистки промышленных стоков от грубо
дисперсных примесей включают отстаивание в гравитационном и центробежном поле, фильтрацию, флотацию, осветление во взвешенном 
слое осадка. 

Для очистки от мелкодисперсных (от 0,1–10 мкм) и коллоидных 

(0,001–0,1 мкм) частиц, оседающих с малой скоростью, а также от 
ПАВ используют коагуляцию и флокуляцию, обеспечивающие слипание частиц до крупных конгломератов, удаляемых затем механическим 
методом.

Для очистки от растворенных неорганических веществ применяют 

методы выпаривания, обратного осмоса, химического осаждения, электродиализа, нейтрализации. 

Для очистки от растворенных органических веществ применяют 

биологическую очистку, адсорбцию, ионный обмен, отдувку газами, 
химическое осаждение, озонирование и хлорирование, обратный осмос, 
электрохимические методы и др. 

Сильно концентрированные стоки в ряде случаев целесообразно 

уничтожать сжиганием, санитарным захоронением. 

Процесс очистки сточных вод проектируют в порядке уменьшения 

размеров содержащихся в них примесей.

Во всех случаях первой стадией является механическая очистка 

сточных вод, предназначенная для удаления грубодисперсных, взвешенных и дисперсно-коллоидных частиц. Отделение механической 
очистки состоит из решеток, песколовок и отстойников и механических 
фильтров, предназначенных для доочистки сточных вод. Механическая 
очистка обеспечивает удаление из воды ГДП и взвешенных веществ до 
90–95 %, а органических примесей по БПКполн – до 20–25 %.

В первую очередь путем процеживания сточных вод через ре
шетки удаляют самые крупные примеси: куски кожи, тряпье, ветки 
и т. д. Решетки представляют собой металлическую раму, внутри которой установлен ряд параллельных стержней, расстояние между 

которыми обычно составляет 16 мм. Решетки устанавливают на пути 
движения воды; очищают от мусора вручную или с помощью механизмов в зависимости от объемов очищаемых вод.

После решеток сточные воды подаются на дальнейшую очистку 

в песколовки и отстойники. В этих сооружениях для выделения из воды 
грубодисперсных и взвешенных примесей применяют процесс отстаивания как наиболее экономичный способ разделения гетерогенных неоднородных систем. Выделение примесей при отстаивании происходит 
под действием гравитационных сил.

В песколовках из сточных вод удаляются минеральные примеси, 

преимущественно песок с гидравлической крупностью (скоростью осаждения) 18,7–24,2 мм/с. Песколовки рассчитывают таким образом, 
чтобы в них удалялся песок и другие тяжелые минеральные частицы, 
но не выпадали легкие органические взвеси. Это обусловлено тем, что 
при совместном выделении этих примесей возникают значительные 
трудности при утилизации выпавшего осадка.

По техническим проектным нормам в песколовках должен задер
живаться песок в количестве не менее 65 % от общего его содержания 
в сточных водах. Выпавший на дно песколовок осадок удаляют по мере 
накопления вручную или механически.

Если плотность нерастворимых в воде примесей меньше плотно
сти воды, то для их удаления используют специальные аппараты и сооружения: нефтеловушки, флотаторы, гидроциклоны или центрифуги, 
и т. д. В нефтеловушках удаление примесей осуществляется путем отстаивания; во флотаторах легкие примеси поднимаются к поверхности 
под действием подъемной силы пузырьков воздуха; работа гидроциклонов или центрифуг основана на действии центробежных сил, и т. д.
После удаления крупных нерастворимых в воде частиц примесей сточные воды поступают в отстойники, в которых методом отстаивания 
удаляются мелкодисперсные и взвешенные примеси. 

8

О Т С Т О Й Н И К И

Отстаивание является более дешевым процессом, чем другие про
цессы разделения неоднородных систем, например фильтрование. 
Кроме того, разделение фильтрованием ускоряется при прочих равных 
условиях в случае предварительного сгущения фильтруемого материала. Поэтому отстаивание часто используют в качестве первичного процесса разделения, стремясь удалить, возможно, большие количества 
твердого вещества из сплошной фазы.

Отстаивание проводят в аппаратах, называемых отстойниками, 

или сгустителями. Различают аппараты периодического, непрерывного или полунепрерывного действия, причем непрерывно действующие отстойники, в свою очередь, делятся на: одноярусные, двухъярусные и многоярусные.

Периодически действующие отстойники представляют собой низ
кие бассейны без перемешивающихся устройств. Такой отстойник заполняется суспензией, которая остается в состоянии покоя в течение 
определенного времени, необходимого для оседания твердых частиц на 
дно аппарата. После этого слой осветленной жидкости декантируют,
т. е. сливают через сифонную трубку или краны, расположенные выше 
уровня осевшего осадка. Последний, обычно представляющий собой 
подвижную текучую густую жидкую массу – шлам, выгружают вручную через верх аппарата или удаляют через нижний спусковой кран.

Размеры и форма аппаратов периодического действия зависят от 

концентрации диспергированной фазы и размеров ее частиц. Чем крупнее частицы и чем больше их плотность, тем меньший диаметр может 
иметь аппарат. Скорость отстаивания существенно зависит от температуры, с изменением которой изменяется вязкость жидкости, причем 
скорость осаждения обратно пропорциональна вязкости, а последняя 
уменьшается с увеличением температуры.

Для отстаивания небольших количеств жидкости применяют от
стойники в виде цилиндрических вертикально установленных резервуаров с коническим днищем, имеющим кран или люк для разгрузки 
осадка и несколько кранов для слива жидкости, установленных на корпусе на разной высоте.

Рис. 1. Отстойник с наклонными перегородками:

1 – штуцер для ввода исходной суспензии; 2 – корпус; 3 – наклонные 

перегородки; 4 – бункера для осадка; 5 – штуцер для отвода 

осветленной жидкости

Для отстаивания значительных количеств жидкости, например для 

очистки сточных вод, используют бетонные бассейны больших размеров или несколько последовательно соединенных резервуаров, работающих полунепрерывным способом: жидкость поступает и удаляется 
непрерывно, а осадок выгружается из аппарата периодически.

На рис. 1 показан отстойник полунепрерывного действия с наклон
ными перегородками. Исходная суспензия подается через штуцер 1
в корпус 2 аппарата, внутри которого расположены наклонные перегородки 3, направляющие поток попеременно вверх и вниз. Наличие перегородок увеличивает время пребывания жидкости и поверхность осаждения в аппарате. Осадок собирается в конических днищах (бункерах) 
4, откуда периодически удаляется, а осветленная жидкость непрерывно 
отводится из отстойника через штуцер 5.

Отстойники непрерывного действия с гребковой мешалкой (рис. 2) 

представляют собой невысокий цилиндрический резервуар 1 с плоским 
слегка коническим днищем и внутренним кольцевым желобом 2 вдоль 
верхнего края аппарата. В резервуаре установлена мешалка 3 с наклонными лопастями, на которых имеются гребки 4 для непрерывного перемещения осаждающегося материала к разгрузочному отверстию 7. Одновременно гребки слегка взбалтывают осадок, способствуя этим более 
эффективному его обезвоживанию. Мешалка делает от 0,015 
до 0,5 об/мин, т. е. вращается настолько медленно, что не нарушает процесса осаждения. Исходная жидкая смесь непрерывно подается через 
трубу 5 в середину резервуара. Осветленная жидкость переливается