Химические и физико-химические способы очистки сточных и техногенных вод

ХИМИЧЕСКИЕ  

И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ 

СПОСОБЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ 

И ТЕХНОГЕННЫХ ВОД

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва 
ИНФРА-М 
2023

МОНОГРАФИЯ

Р е ц е н з е н т ы:
А.В. Луканин, доктор технических наук, профессор, профессор Российского 
государственного университета дружбы народов;
Е.Н. Пирогов, кандидат технических наук, доцент, доцент Российского университета транспорта

УДК 628.3(075.4)
ББК 38.761.204
 
К86

ISBN 978-5-16-017605-5 (print)
ISBN 978-5-16-110158-2 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2022

Ксенофонтов Б.С.

К86  
Химические и физико-химические способы очистки сточных и тех
ногенных вод : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 
2023. — 321 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1863094.

ISBN 978-5-16-017605-5 (print)
ISBN 978-5-16-110158-2 (online)
В монографии рассматриваются вопросы, относящиеся к химическим и фи
зико-химическим способам очистки сточных и техногенных вод, в том числе 
окисления и сорбции загрязнений, а также их коагуляции и флокуляции и другим процессам обработки сточных и техногенных вод. При этом отдельные задачи впервые рассматриваются как в отечественной, так и в мировой практике 
водоочистки. В первую очередь это относится к использованию сильных окислителей в практике очистки воды, а также нейтрализующих веществ. Кроме 
того, рассматриваются вопросы интенсификации химических реакций, происходящих при обработке сточных вод с использованием различных реагентов. 
При этом в качестве интенсифицирующего воздействия рассматривается обработка воды с использованием ультрафиолета, электромагнитных полей и т.п. 
В результате комплексного воздействия на обрабатываемую воду достигается 
высокий технологический эффект очистки.

Для широкого круга читателей, в том числе научных сотрудников, препода
вателей вузов, аспирантов, магистров, бакалавров и студентов старших курсов.

УДК 628.3(075.4)  
ББК 38.761.204

Введение

Очистка сточных вод остается одной из самых актуальных 

проблем в ХХI столетии. В связи со сложностями экологической 
обстановки в мире постоянно пересматриваются требования к качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в открытые источники.

В настоящее время в РФ осуществляются как мероприятия, 

ужесточающие требования к качеству сточных вод, сбрасываемых 
в городскую канализацию (постановления Правительства РФ 
от 29.07.2013 № 644 и от 22.05.2020 № 728), так и либерализация требований к качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в открытые водоемы. С 01.01.2019 вступил в действие 
Федеральный закон от 21.07.2014 № 219-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон “Об охране окружающей среды” 
и отдельные законодательные акты РФ» о переходе канализационных очистных сооружений производительностью свыше 
20 тыс. м3/сут (I категория природопользователей) на нормирование по комплексным экологическим разрешениям, т.е. по технологическим нормативам наилучших доступных технологий 
в соответствии с Информационно-техническим справочником 
по НДТ (ИТС 10–2015 «Очистка сточных вод с использованием 
централизованных систем водоотведения поселений, городских 
округов»). Для природопользователей с очистными сооружениями производительностью ниже 20 тыс. м3/сут (II категория) 
предусматривается право перехода на технологическое нормирование по НДТ.

Критический анализ эксплуатации очистных сооружений городских сточных вод показывает, что современные технологии 
[1–110], обеспечивающие удаление азота и фосфора, применяются 
на небольшом количестве объектов РФ, не превышающем 10%. Известно, что при переходе на технологическое нормирование перед 
многими водоканалами встанет вопрос об эффективности подобных 
мероприятий для обеспечения достижения нормативов. Следует 
отметить, что водоканалы получили большие возможности повышения требований к сточным водам, сбрасываемым в канализацию 
(постановление Правительства РФ от 22.05.2020 № 728). Особенно 
ужесточение требований касается сложных органических веществ, 
особенно полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), 
в том числе бензапирена, дибутилфталата и других загрязнений.

Удаление ПАУ сточных вод является современной актуальной 
проблемой. Многими разработчиками показано, что адаптированные бактериоценозы способны утилизировать до безопасных 
соединений нефть и нефтепродукты, ПАУ — нафталин, фенантрен, 
бифенил, фенол и его производные, цианиды. Эффективность использования традиционных очистных сооружений для удаления органических поллютантов напрямую связана с возможностью адаптации сообщества активного ила. На сооружениях биологической 
очистки происходит автоселекция бактериоценоза под влиянием 
поступающих стоков. Адаптация микробных ценозов к органическим поллютантам может происходить в течение длительного 
времени. Так, время адаптации к разным концентрациям фенола 
бактериоценоза активного ила очистных сооружений, на которые 
поступали фенолсодержащие промышленные отходы, составило 
не менее 40 суток. Вопрос изменения структуры бактериального сообщества в процессе разложения ксенобиотиков становится важной 
научной проблемой, так как позволяет оценить функционирование 
сообщества как единой системы.
Следует отметить, что, хотя принципиально сложные органи
ческие вещества в ряде случаев и могут быть окислены биохимическим путем, однако в настоящее время требования к качеству 
сточных вод, сбрасываемых в канализацию, ужесточаются и в этой 
связи достижение нормативных требований в этом случае бывает 
затруднительно. Это приводит к необходимости использования 
новых технологий, преимущественно физико-химического направления.

Глава 1.  
ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ  
И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ  
СТОЧНЫХ ВОД

Основными методами химической очистки сточных вод яв
ляются нейтрализация и окисление. При этом сопутствующими 
процессами при практической реализации указанных способов 
в области очистки сточных вод являются флотация, фильтрация, 
сорбция и др. Особенно эффективным в практике очистки воды 
оказался комбинированный способ озонирования и сорбции, 
получивший специальное название озоносорбции. На многих 
очистных сооружениях можно встретить блоки озоносорбции, 
отличающиеся высоким эффектом очистки воды. В последние 
годы кроме озона используются и другие окислители, например, 
перекись водорода, ферраты и др. В этой связи можно обобщить 
этот комбинированный способ очистки: окисление — сорбция 
(окисорбция) с возможностью использования различных окислителей. Такой способ начинает получать все более широкое использование.
В обычной практике сточные воды, содержащие минеральные 

кислоты или щелочи, перед сбросом в системы канализации 
или в открытые водоемы нейтрализуют.

В практике обработки сточных вод для нейтрализации исполь
зуют различные щелочные реагенты. При этом в случае нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту, могут происходить следующие реакции:

В случае обработки сточных вод хлором образуются соляная 

и хлорноватистая кислоты:

В процессе обработки сточных вод нефтехимических производств возможно протекание реакций типа:

Важно отметить, что скорости этих реакций повышаются с воз
растанием температуры и давления.

Следует особо отметить использование кислорода воздуха 

при обработке воды в процессе обезжелезивания.

Весьма показательным примером может служить процесс разрушения сульфидных соединений диоксидом углерода, присутствующим в дымовых газах:

При этом образующийся сероводород направляется на сжи
гание, а в случае применения диоксида углерода он может служить 
сырьем для получения серной кислоты.

При окислении сероводорода озоном на первой стадии на
блюдается выделение серы, а на второй — происходит окисление 
до H2SO4:

Следует особо отметить, что реакции протекают одновременно, 

но при избытке озона преобладает вторая.

В случае окисления цианидов происходят следующие реакции:

Механизм действия озона в процессах окисления может происхо
дить в трех различных направлениях: непосредственное окисление 

с участием одного атома кислорода; присоединение молекулы озона 
к окисляемому веществу с образованием озонидов; каталитическое 
усиление окисляющего воздействия кислорода, присутствующего 
в озонированном воздухе. Окисление веществ может быть прямое 
и непрямое, а также осуществляться катализом и озонолизом.

Хорошо также известно, что непрямое окисление — это оки
сление радикалами, образующимися в результате перехода озона 
из газовой фазы в жидкость и его саморазложения.

Следует отметить, что озонолиз представляет собой процесс 

фиксации озона на двойной или тройной углеродной связи с последующим ее разрывом и образованием озонидов, которые, как 
и озон, являются нестойкими соединениями и быстро разлагаются.

Интенсификация процесса очистки сточных вод заметно повы
шается при совместном использовании ультразвука и озона, ультрафиолетового облучения и озона.

Эффективным способом является электрохимическое окис
ление, хотя оно и не получило сколь-нибудь широкого распространения. Хорошо известно, что электрохимические методы основаны 
на электролизе сточных вод. Химические превращения при электролизе могут быть весьма различными в зависимости от вида 
электролита, а также материала электродов и присутствия различных веществ в растворе. Основу электролиза составляют два 
процесса: анодное окисление и катодное восстановление.

Электрохимическую обработку целесообразно применять 

при очистке концентрированных органических и неорганических 
загрязнений и достаточно небольших расходах сточных вод (порядка 5–10 м 3/ч). Эффективность электрохимического окисления 
представлена в табл. 1.1 на примере электролизной обработки 
отработанной культуральной жидкости производства кормовых 
дрожжей при плотности тока 20 мА/см 2 в виде зависимости химического потребления кислорода (ХПК, мг/л) от времени электрообработки t (мин).

Таблица 1.1

Зависимость ХПК от времени электрообработки отработанной 
культуральной жидкости производства кормовых дрожжей  

(плотность тока 20 мА/см 2)

ХПК, мг/л
1468
1369
1247
1126
1024
879
742
652

t, мин
0
5
10
15
20
25
30
35

Анализ экспериментальных данных, представленных в табл. 1.1, 

показывает, что при электрообработке отработанной культуральной 

жидкости производства кормовых дрожжей при плотности тока 20 
мА/см 2 ХПК очищаемой жидкости снижается примерно в 2 раза 
в течение 35 минут, что подтверждает высокую эффективность использования электрохимического окисления. Хотя следует отметить, что время обработки в течение 35 минут является достаточно 
длительным.

Обычно в качестве анода используют электролитически нерастворимые материалы (уголь, графит, магнетит, диоксиды свинца, 
магния, рутения), нанесенные на титановую основу, в качестве катода — свинец, цинк и легированную сталь. Для предотвращения 
смешения продуктов электролиза, особенно водорода и кислорода, 
которые могут образовать взрывоопасные смеси, используют керамические, полиэтиленовые, асбестовые и стеклянные диафрагмы.

Известно, что для повышения электропроводимости сточных 

вод, снижения расхода электроэнергии и интенсификации процесса 
окисления в сточные воды добавляют минеральные соли. Наиболее 
эффективно добавление хлорида натрия, который разлагается с выделением на аноде атомов хлора:

Известны также способы и радиационного окисления. При дей
ствии излучений высоких энергий на водные среды, содержащие 
различные органические вещества, возникает большое число окислительных частиц, обусловливающих процессы окисления. Радиационно-химические превращения протекают за счет реакции 
этих веществ-загрязнителей с продуктами радиолиза воды: ОН–, 
НO2– в присутствии кислорода, Н2O2, Н+ и егидр (гидратированный электрон). В этих случаях в качестве источников излучения могут быть использованы радиоактивные кобальт и цезий, 
тепловыделяющие элемен ты, радиационные контуры, ускорители 
электронов.

1.1. ОБРАБОТКА ВОДЫ КОАГУЛЯНТАМИ И ФЛОКУЛЯНТАМИ

1.1.1. Основы процесса коагуляции и флокуляции

Известно, что метод обработки воды, направленный на уда
ление веществ, находящихся в коллоидном состоянии, с помощью 
химических реагентов, называется коагулированием. Применяющиеся для этой цели химические вещества называются коагулян

тами. Коагулирование воды применяется для осветления мутных 
и обесцвечивания цветных вод. Наряду с коллоидными примесями 
при коагулировании удаляются из воды грубодисперсные частицы, 
а также планктон, бактерии и вирусы. Для очистки воды применяются следующие коагулянты: сульфат алюминия Al2 (SO4)3 · 18H2O,  
сульфат железа (II) FeSO4 · 7H2O (железный купорос), хлорид железа (III) FeCl3 · 6H2O, гидроксохлорид алюминия Al2 (OH)5Cl, метаалюминат натрия NaAlO2.
Основным фактором, обусловливающим скорость коагулирования воды, является стадия хлопьеобразования. Укрупнившиеся 
хлопья оседают под действием силы тяжести, увлекая за собой взвешенные частицы. Чем быстрее растут хлопья, чем больше их масса 
и размер, тем интенсивнее идет процесс седиментации, тем выше 
степень осветления воды.

При обесцвечивании воды, когда удаляются из воды гумусовые соединения, имеющие свойства гидрофильных коллоидов, 
основная роль отводится специфической адсорбции многозарядных катионов алюминия поверхностью сложных высокомолекулярных гумусовых кислот. В результате образуются труднорастворимые комплексы алюминия. Коагуляция гумусовых 
соединений алюминиевым коагулянтом является необратимой. 
Оптимальные значения pH обрабатываемой воды при обесцвечивании 4,5–5,5. Процесс коагуляции идет достаточно быстро, 
необходимо энергичное перемешивание воды после поступления 
коагулянта. На процесс коагуляции влияет также температура обрабатываемой воды. При понижении температуры уменьшается 
скорость теплового движения и число эффективных столкновений 
коллоидных частиц уменьшается, по это му устойчивость системы 
повышается.

Количество введенного в воду коагулянта называется дозой коагулянта. Минимальная концентрация коагулянта, отвечающая наилучшему осветлению или обесцвечиванию воды, называется оптимальной дозой. Она определяется опытным путем и зависит от солевого состава, жесткости, щелочности воды и др. Оптимальной 
дозой коагулянта считается то его минимальное количество, которое при пробном коагулировании дает крупные хлопья и максимальную прозрачность воды через 15–30 мин. Для сульфата алюминия эта концентрация примерно составляет от 20–100 мг/л.

Коагуляция коллоидных частиц гидроксидов металлов проис
ходит под влиянием анионов, находящихся в воде, по это му мягкие 
воды (во время паводка) обладают плохой коагулируемостью. Коагуляция примесей в мягких водах под действием сульфата алю

миния происходит лучше при pH 5,7–6,6, в водах средней жесткости — при pH 6,6–7,2, жестких — при pH 7,2–7,6. Если требуется 
снизить цветность воды, то в качестве коагулянта применяется 
сульфат алюминия. Доза коагулянта для обесцвечивания воды 
определяется ориентировочно по формуле

 
Д = 4 Ц,

где Д — доза сульфата алюминия в расчете на безводную соль, мг/л; 
Ц — цветность воды по платино-кобальтовой шкале, град.

Процесс коагулирования воды не отличается постоянством 

параметров работы очистных сооружений из-за непрерывного изменения таких показателей качества воды, как температура, химический состав, концентрация примесей, степень их дисперсности. 
Для интенсификации очистки воды методом коагулирования применяются дополнительные реагенты-флокулянты, позволяющие 
ускорять процессы хлопьеобразования и осаждения. Использование флокулянтов способствует образованию прочных, быстро 
оседающих хлопьев, что позволяет ускорить процесс обработки 
воды.
Для очистки воды используются следующие классы флоку
лянтов: 1) неорганические (активированная кремниевая кислота); 
2) органические высокомоле кулярные соединения (ВМС), полученные переработкой природных продуктов [альгинат натрия, 
крахмал, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)]; 3) синтетические высокомолекулярные соединения (полиакриламид, полиэтиленимин, 
праестол и др.). В водных раство рах такие высокомолекулярные 
флокулянты, как крахмал, полиоксиэтилен, эфиры целлюлозы, 
находятся в недиссоциированном состоянии. Флокулянты типа 
ВА-2, ВА-202, ВА-212, полиэтиленимин дают активный катион 
(поликатион). Некоторые флокулянты проявляют свойства амфолитов. К их числу относится гидролизованный полиакриламид. 
Механизм действия флокулянтов основан на адсорбции макромолекул флокулянта скоагулировавшими или взвешенными частицами.

Наиболее часто применяемые для очистки воды реагенты (сернокислый алюминий, известь, полиакриламид, праестол) представляют собой твердые или желеобразные вещества. Перед введением 
в воду их растворяют в специальных баках, из которых через дозаторы подают в смесители. Для ускорения процесса растворения 
используют механические мешалки или перемешивают сжатым 
воздухом.