Защита гидросферы

Москва  2021

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ 
 
Кафедра безопасность и экология горного производства

А.А. Куликова

ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4555

УДК 622.4 
 
К90

Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, доц. Т.И. Овчинникова

Куликова, Александра Анатольевна.
К90  
Защита гидросферы : учеб. пособие / А.А. Куликова. – 
Москва : Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2021. – 
215 с.
ISBN 978-5-907227-89-7

Рассмотрены проблемы охраны водной среды, приведены классификация и характеристики основных видов загрязнений, даны классификации методов и процессов защиты гидросферы от химических 
и физических видов загрязнений. Предложены мероприятия по снижению загрязнения водной среды.
Учебное пособие, подготовленное на кафедре «Безопасность и экология горного производства» Горного института, предназначено для 
подготовки специалистов по специальности 21.05.04 «Горное дело» 
специализации «Промышленная и экологическая безопасность» и 
магистров 20.04.01 «Техносферная безопасность» при изучении дисциплин ФГОС «Инженерная защита окружающей среды» и «Процессы и аппараты защиты окружающей среды». 

УДК 622.4

 А.А. Куликова, 2021 
ISBN 978-5-907227-89-7
 НИТУ «МИСиС», 2021

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................................... 5

1. Классификация и свойства сточных вод.  
Методы очистки сточных вод ............................................... 6
1.1. Классификация сточных вод ...................................... 6
1.2. Показатели качества сточных вод ............................... 8
1.3. Методы очистки сточных вод .................................... 16

2. Методы очистки от грубодисперсных примесей ................. 19
2.1. Процеживание  ....................................................... 19
2.2. Пескоулавливание .................................................. 22
2.3. Отстаивание ........................................................... 29
2.4. Фильтрование ........................................................ 42
2.5. Осветление воды в слое взвешенного осадка  ............... 54
2.6. Флотация .............................................................. 55
2.6.1. Способы флотационной обработки сточных вод ..... 56
2.7. Осветление воды в поле центробежных сил ................. 65

3. Очистка сточных вод от мелкодисперсных примесей .......... 70
3.1. Коагуляция ........................................................... 70
3.2. Флокуляция  .......................................................... 73
3.3. Аппаратура для обработки сточных вод  
коагуляцией и флокуляцией .......................................... 76

4. Очистка сточных вод от растворенных неорганических 
примесей ........................................................................ 84
4.1. Методы очистки сточных вод от минеральных  
примесей ..................................................................... 84
4.1.1. Дистилляция .................................................... 84
4.1.2. Кристаллизационный метод ............................... 87
4.1.3. Метод гелиоопреснения ..................................... 89
4.1.4. Обратный осмос и ультрафильтрация ................... 90
4.1.5. Электродиализ.................................................. 93
4.1.6. Ионный обмен .................................................. 95
4.2. Методы очистки сточных вод от тяжелых металлов ....102
4.2.1. Примеры удаления ионов тяжелых металлов .......104
4.3. Нейтрализация ......................................................112
4.4. Окисление ............................................................114
4.4.1. Примеры очистки сточных вод окислением 
с помощью «активного» хлора ....................................115

4.4.2. Примеры очистки сточных вод окислением 
с помощью кислорода воздуха ....................................118
4.5. Очистка восстановлением .......................................119

5. Электрохимические методы очистки ..............................122
5.1. Электрокоагуляция  ...............................................125
5.2. Электрохимическое окисление и восстановление ........129
5.3. Гальванокоагуляционная очистка сточных вод ..........131

6. Очистка сточных вод от нерастворимых и растворенных 
органических примесей ...................................................134
6.1. Экстракция  ..........................................................134
6.2. Биологическая очистка сточных вод .........................137
6.3. Сорбция ................................................................164

7. Методы обеззараживания сточных вод ............................176
7.1. Хлорирование .......................................................176
7.2. Озонирование ........................................................178
7.3. УФ-обеззараживание ..............................................182

8. Методы обработки осадков сточных вод ..........................184
8.1. Уплотнение активного ила ......................................194
8.2. Стабилизация осадков ............................................196
8.2.1. Анаэробное сбраживание ..................................196
8.2.2. Аэробное сбраживание ......................................198
8.3. Кондиционирование осадков ...................................201
8.4. Обезвоживание осадков ..........................................203
8.5. Термическая обработка осадков ...............................208
8.6. Ликвидация ..........................................................209
8.7. Утилизация осадков ...............................................210

Заключение ...................................................................213

Библиографический список ..............................................214

ВВЕДЕНИЕ

Процессы инженерной защиты окружающей среды – комплексная научно-техническая дисциплина, изучающая теоретические основы создания ресурсосберегающих технологий, экологически безопасных промышленных производств, реализации 
инженерно-экологических решений по рациональному природопользованию и защите окружающей среды.
Основная цель изучения данной дисциплины – приобретение 
знаний о способах, средствах и технических решениях защиты 
окружающей среды и выработка навыков выполнения конкретных инженерно-технических расчетов.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА 
СТОЧНЫХ ВОД. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ 
СТОЧНЫХ ВОД

1.1. Классификация сточных вод

Воды, удаляемые после их использования, называют сточными. Если брать более полную и точную формулировку, то сточной водой (или сточной жидкостью) называется использованная 
на бытовые или производственные нужды вода, получившая при 
этом загрязнения, изменившие ее первоначальный химический 
состав или подлежащая удалению с территории населенного 
пункта или промышленного предприятия.
В зависимости от происхождения, вида и качественной характеристики примесей сточные воды подразделяют на три основные категории: 
 
– бытовые (хозяйственно-фекальные);
 
– производственные;
 
– атмосферные (ливневые).
К бытовым относятся воды от кухонь и туалетных комнат, 
бань и прачечных, предприятий общественного питания и лечебных учреждений, мытья помещений. Они поступают от жилых и 
общественных зданий и от бытовых помещений промышленных 
предприятий. По природе загрязнений бытовые сточные воды 
делятся на:
 
– фекальные – воды, загрязненные физиологическими выделениями людей;
 
– хозяйственные – воды, загрязненные всякого рода хозяйственными отбросами.
Виды загрязнений бытовых сточных вод:
 
– органические загрязнения – белковые вещества, жиры, 
углеводы и продукты их разложения;
 
– неорганические загрязнения – соли, присущие питьевой 
воде и образующиеся в процессе обменных реакций в организме человека, фосфаты и аммонийные соли – продукт гидролиза 
мочевины, песок и глинистые частицы, попадающие в бытовые 
воды от мытья овощей и фруктов, уборки помещений и т.д.; 
 
– биологические загрязнения – разнообразные микроорганизмы, том числе и патогенные, и яйца гельминтов. Попадают 

они в систему водоотведения с физиологическими выделениями 
людей, водой от ванн и кухонь.
Загрязнения органической природы составляют 45–58% общей массы загрязнений бытовых сточных вод.
Отличительная особенность бытовых сточных вод – относительное постоянство их состава, так как от каждого жителя в систему водоотведения поступает в среднем постоянное количество 
определенных загрязнений (г/сут).
К производственным сточным водам относят воды, образовавшиеся при проведении различных технологических процессов, добыче полезных ископаемых, а также вода, прошедшая через загрязненную территорию промышленных предприятий и не 
пригодная для вторичного использования
Вода загрязняется в результате протекания различных химических реакций, при промывке сырья, продуктов и оборудования, а также при охлаждении оборудования, еще источниками 
загрязнения сточных вод являются маточные водные растворы, 
водные экстракты, реэкстакты и адсорбенты, выделяющиеся из 
сырья при проведении технологических процессов, свободная и 
связанная влага, вода, загрязненная в процессе эксплуатации 
различного оборудования.
Производственные сточные воды можно разделить на две основные категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые).
Загрязненные сточные воды делятся на три группы: 
 
– загрязненные преимущественно органическими примесями;
 
– загрязненные преимущественно минеральными примесями;
 
– загрязненные смесью этих примесей.
Количество и состав производственных сточных вод зависит 
от ряда факторов: 
 
– технологического процесса;
 
– режимов проведения;
 
– состава сырья;
 
– промежуточных изделий и продуктов; 
 
– выпускаемой продукции;
 
– состава исходной свежей воды.
Атмосферные (ливневые) сточные воды образуются в результате выпадения осадков; также талые воды, образующиеся в результате таяния снега и льда, и воды от поливки улиц, от фон

танов и дренажей по качественной характеристике загрязнений 
близки к ливневым. Ливневые воды содержат много песка, мусора, глинистых частиц, а также нефтепродуктов, смываемых с 
улиц города. Загрязнение территории промышленных предприятий приводит к появлению в ливневых водах примесей, характерных для того или иного производства. Отличительной особенностью ливневого стока является его эпизодичность и резко 
выраженная неравномерность его по расходу и концентрации загрязнений.

1.2. Показатели качества сточных вод

Группы показателей качества сточных вод:
 
– органолептические – показатели, которые определяются 
только с помощью органов чувств. К ним относятся окраска, запах, прозрачность и др.;
 
– физико-химические;
 
– санитарно-бактериологические (биологические) показатели включают определение общего счета аэробных сапрофитов 
(микробное число), бактерий группы кишечной палочки (БГКП) 
и анализ на яйца гельминтов.   
Температура. Кроме влияния на процессы осаждения, температура является также важным технологическим параметром 
биологических процессов очистки, так как от нее зависит скорость биохимических реакций и растворимость в воде кислорода, необходимого для жизнедеятельности микроорганизмов. 
Определяют температуру непосредственно при отборе пробы 
термометром с делениями до 0,1 °С с точностью ±0,5 °С.
Окраска. Бытовые сточные воды окрашены слабо. Интенсивная окраска показывает наличие производственных сточных 
вод, особенно от предприятий легкой промышленности, где в 
большом количестве используются разнообразные красители. 
Окраска определяется в фильтрованных пробах в цилиндрах из бесцветного стекла и описывается на основе визуального наблюдения: розовая, слабо-желтая, буроватая и т.п. Интенсивность окраски характеризуют степенью разбавления 
исследуемой воды дистиллированной, при которой окраска исчезает. Результат записывают отношением, например 1:500 (где 
1 – 1 часть исследуемой пробы, 500 – сумма 499 частей разбавляющей воды и 1 части исследуемой).

Запах. Запах бытовых стоков довольно характерен и представляет собой смесь запахов фекалий и разложений органических веществ. Запах производственных стоков весьма разнообразен и зависит от вида производства. Для сточных вод 
описание запаха наиболее важно при появлении новых, ранее не 
встречавшихся оттенков, а также при резком возрастании интенсивности запаха, что свидетельствует о залповом сбросе концентрированных сточных вод отдельными производствами.
Сначала определяют характер запаха (табл. 1.1), затем по пятибалльной системе оценивают его интенсивность.

Таблица 1.1 
Шкала оценки запаха

Обозначение 
запаха
Характер запаха
Примерный род запаха

А
Ароматический
Огуречный, цветочный
Б
Болотный
Илистый, тинистый
Г
Гнилостный
Фекальный, сточный
Д
Древесный
Запах морской щепы, древесной коры
З
Землистый
Прелый, запах свежевспаханной земли

Прозрачность – показатель степени общей загрязненности 
воды нерастворенными и коллоидными примесями. Прозрачность городских сточных вод обычно не превышает 3–5 см. Сточные воды после биологической очистки имеют прозрачность 
более 15 см. Прозрачность сточных вод определяется по шрифту Снеллена по слою жидкости, налитой в градуированный цилиндр, в см.
Реакция среды. Сточные воды, сбрасываемые в систему водоотведения города, должны иметь значение рН в пределах 6,5–8,5. 
Требование обусловлено тем, что кислые и щелочные сточные 
воды разрушающе действуют на материал коллекторов и могут 
нарушать биохимические процессы очистки сточных вод.
Сухой и плотный остатки. Сухой остаток характеризует общую загрязненность воды примесями, находящимися во всех 
агрегатных состояниях, его определяют из натуральной (нефильтрованной) пробы.
Плотный остаток характеризует суммарное количество растворенных неорганических и органических веществ в сточной 
воде, его определяют из фильтрованной пробы.

Определяют выпариванием пробы на водяной бане и последующим высушиванием при 105 °С. При такой обработке пробы 
теряются газы, легколетучие вещества, присутствующие в воде 
или образующиеся в результате разложения примесей.
Взвешенные вещества – показатель, характеризующий количество примесей первой группы, которое задерживается на 
бумажном фильтре при фильтровании пробы, позволяющий 
оценить количество осадков, образующихся в процессе очистки 
сточных вод. Кроме того, этот показатель используется в качестве расчетного параметра при проектировании отстойников. 
Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах 
составляет 100–500 мг/л.
Оседающие вещества – часть взвешенных веществ, оседающих на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое. Для 
определения оседающих веществ используют цилиндры Лисенко 
объемом 0,5 или 1 л. Нижняя часть цилиндра представляет собой пробирку с тонкой градуировкой до 0,1 мл. Количество оседающих веществ в городских сточных водах обычно не превышает 
6–7 мл/л. После 2 ч отстаивания верхнюю часть отстоявшейся 
жидкости декантируют, а нижнюю с осевшими веществами переносят в стакан и определяют оседающие вещества по массе. Концентрацию оседающих веществ выражают по объему (мл/л) и по 
массе (мг/л). В городских сточных водах оседающие вещества в 
среднем составляют 60–75% концентрации взвешенных веществ.  
Потери при прокаливании, зольность твердых примесей. 
Для многих технологических целей нужно знать содержание 
органической и минеральной частей твердой фазы воды. В этом 
случае высушенная твердая фаза любого определения (взвешенных веществ, оседающих веществ, сухого и плотного остатка) подвергается прокаливанию. Прокаливание проводят при 
температуре 500–600 °С. Выгорают, т.е. улетучиваются в виде 
оксидов, углерод, водород, азот, сера и другие примеси. Остаток, называемый золой, после охлаждения взвешивают. Зольность – отношение массы остатка после прокаливания к массе 
первоначально взятого твердого образца, выражается в процентах. Зольность взвеси городских сточных вод обычно находится 
в пределах 25–35%.
Окисляемость – это общее содержание в воде восстановителей 
органической и неорганической природы. В городских сточных