Биологическая очистка сточных вод

БИОЛОГИЧЕСКАЯ 

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ 

ВОД

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений, обучающихся 

по укрупненной группе направлений подготовки 

20.00.00 «Техносферная безопасность и природообустройство» 

(квалификация (степень) «бакалавр») 

(протокол № 8 от 22.06.2020)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва 
ИНФРА-М 

202

УДК 628.31(075.8)
ББК 38.761.2я73
 
К86

Р е ц е н з е н т ы:

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

химик Российской Федерации, 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 978-5-16-019032-7 (print)
ISBN 978-5-16-107470-1 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium

© Ксенофонтов Б.С., 2020

Ксенофонтов Б.С.

К86  
Биологическая очистка сточных вод : учебное пособие / 

Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 255 с. + 
Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/1013710.

ISBN 978-5-16-019032-7 (print)
ISBN 978-5-16-107470-1 (online)
В учебном пособии изложены теоретические и практические основы 

биологической очистки сточных вод как в естественных, так и в искусственных условиях. Для углубленного изучения основ биологической 
очистки сточных вод достаточно подробно изложены разделы, касающиеся основ микробиологии. Большое внимание уделено выбору наилучших 
технологий биологической очистки сточных вод с эффективными приемами удаления биогенных элемен тов. В расширенном варианте рассмотрены 
способы биологической очистки сточных вод с применением мембранных 
биореакторов. Достаточно подробно освещен отечественный и зарубежный опыт биологической очистки городских и производственных сточных 
вод.

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

Предназначено для студентов бакалавриата, магистратуры, аспиран
тов, преподавателей и специалистов, интересующихся способами очистки 
сточных вод, и рекомендуется для обучения по укрупненной группе  специальностей и направлений 20.00.00 «Техносферная безопасность и природо обустройство».

УДК 628.31(075.8)

ББК 38.761.2я73

Введение

Биологический способ очистки сточных вод получил широкое 

распространение в практике, что обусловлено прежде всего его естественным природным происхождением. Правильное использование данного способа уже на протяжении более 100 лет показало, 
что можно получать достаточно высокий эффект по многим показателям качества очистки вод. Кроме того, экономическое сравнение 
биологического и химического способов говорит, несомненно, 
в пользу первого.

На начальной стадии развития биологического способа очистки 

сточных вод достаточно широко использовалась почвенная очистка. 
Хорошо известно, что почва представляет собой весьма сложный 
комплекс органических и минеральных веществ, содержащий 
большое количество различных микроорганизмов. При этом следует особо отметить, что в почве отсутствуют оптимальные условия 
для жизнедеятельности патогенной микрофлоры, присутствующей 
в том числе иногда в организме человека. В этой связи почвенный 
вариант очистки сточных вод наряду с минерализацией органических загрязнений включает также и способ обеззараживания 
сточных вод.

Дальнейшее развитие указанного способа очистки вод было 

связано с искусственными условиями. При этом контактирование 
сточных вод с микроорганизмами осуществлялось в основном 
в аэробных условиях, затем стали получать распространение технологии, включающие использование как аэробных, так и анаэробных 
условий. Последний вариант в основном связан с извлечением 
из сточных вод азота и фосфора.

К современным сооружениям очистки от биогенных элемен тов 

не всегда применимо название «аэротенки», восходящее к началу ХХ в., когда сооружения биологической очистки были аэрируемыми с созданием аэробных условий. В настоящее время все 
чаще переходят на более широкое понятие — биореакторы, которые 
представляют собой емкости или устройства для проведения процессов биоокисления путем создания и поддержания по возможности оптимальных условий, необходимых для жизнедеятельности 
культивируемых микроорганизмов. Например, для всех реакторов 
для удаления азота и фосфора предлагается обозначение NPR-реакторы (Nitrogen and Phosphorus Removal — удаление азота и фосфора).  
Внедрение различных новых технологий обусловливает ради

кальное изменение качественного и количественного состава активного ила. Эффективность биологической очистки в этих условиях 
зависит от количества и активности различных новых групп микроорганизмов. Необходимость поддержания в составе активного 
ила достаточной численности и активности бактерий обусловлена 
необходимостью решения поставленных задач.

В этой связи очевидно, что специалистам по эксплуатации 

очистных сооружений необходимо иметь четкие представления 
об условиях культивирования микроорганизмов активного ила. 
При этом надо уметь определять и создавать условия эксплуатации, являющиеся наиболее оптимальными для культивирования 
микроорганизмов активного ила. А так как в технических университетах в настоящее время не читается курс «Основы микробиологии и биотехнологии», возникает проблема ознакомления слушателей с основами микробиологии хотя бы в кратком варианте, что 
и предлагается в данном пособии.

Следует также отметить, что технолог, создающий новые эффек
тивные режимы биологической очистки должен не только знать 
и решать водные проблемы, но и уметь находить подходы к реализации сопутствующих задач, например, в вопросах очистки отработанных газовоздушных выбросов, образующихся в процессах биоочистки сточных вод, и т.п. Отметим также, что сейчас все более 
явно прослеживается тенденция к использованию в процессах 
био очистки селективных микроорганизмов, получаемых в ферментерах с поддержанием строго контролирумых условий, которые уже 
достаточно давно используются в промышленной биотехнологической практике.

Все это указывает на необходимость изложения основ промыш
ленной биотехнологии с описанием технологий и конструкций 
ферментационного оборудования, применяемых при реализации 
контролируемых биотехнологических процессов. Наряду с отмеченными особенностями в предлагаемом читателю учебном 
пособии обобщены современные представления о строении био флокул активного ила, составе и свойствах населяющих активный 
ил микробных популяций, описана роль различных физиологических групп бактерий в биохимических процессах, происходящих 
на стадии полной биологической очистки активным илом, — 
окисление органических загрязнений, нитри- и денитрификация, 
 глубокое удаление фосфора.

С учетом изложенного предлагаемое учебное пособие отлича
ется от известных изданий тем, что в нем шире представлены сведения о сопутствующих дисциплинах, в частности микробиологии 

и биотехнологии. Без знания основ микробиологии и биотехнологии труднее разобраться в процессах биологической очистки 
сточных вод.

В последнее время в Российской Федерации рассматриваются 

возможности использования наилучших доступных технологий 
(НДТ). Читатель должен понимать, в каких случаях следует использовать ту или иную технологию.

При освоении дисциплины по данному пособию планиру
ется формирование компетенций, предусмотренных основной 
профессио нальной образовательной программой на основе ФГОС 
или СУОС по направлению подготовки 20.04.01 «Техносферная 
безопасность» (профиль 20.04.01_01 «Комплексное использование 
водных ресурсов»; уровень магистратуры). То есть в результате 
изучения изложенного в пособии курса студенты будут:

знать

 
• характеристики находящихся в различных состояниях загряз
нений природных вод;

 
• основные способы очистки природных вод и водоочистное обо
рудование;

 
• специальные способы очистки природных вод и их обеззаражи
вание;

 
• процессы взаимодействия загрязнений, находящихся в при
родной воде, и их влияние на качество очищаемой воды;

 
• методику выбора технологии очистки природной воды с учетом 

взаимодействия загрязнений;

 
• характеристики загрязнений, находящихся в различных состоя
ниях в сточных водах;

 
• требования к очистке сточной воды, сбрасываемой в канали
зацию или в природные водоемы;

 
• основные способы очистки сточных вод и водоочистное обору
дование;

 
• взаимодействие загрязнений, находящихся в сточной воде, и их 

влияние на качество очищаемой воды;

 
• методику выбора технологии очистки сточной воды с учетом 

взаимодействия загрязнений;

 
• методы оптимизации технологических процессов очистки 

сточных вод;

 
• безопасные режимы эксплуатации водоочистных установок;

уметь

 
• проводить расчеты основных способов и аппаратов очистки 

сточной воды;

 
• выбирать критерии и методы определения НДТ очистки сточной 

воды;

 
• обеспечивать безопасные режимы эксплуатации водоочистных 

установок;
владеть

 
• методами определения и разработки технологии очистки 

сточной воды с различным качественным и количественным составом загрязнений;

 
• разработкой технологической схемы очистки сточной воды 

с учетом содержащихся в ней загрязнений;

 
• созданием безопасных режимов эксплуатации водоочистных 

установок.
Рассмотрению указанных проблем, усвоению учебного мате
риала в наиболее полном объеме и посвящено данное учебное пособие.

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.

Глава 1.  

ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1.1. Строение клеток прокариот и эукариот

Разделение живого мира на царства животных, растений и про
тистов стало возможным только во второй половине ХIХ в. В 1866 г. 
немецкий биолог Э. Геккель предложил выделить микроорганизмы 
в третье царство живой природы и назвал его царством протистов.

Основу строения клеток протистов, как и клеток высших животных 

и растений, составляют цитоплазма и ядро. С развитием инструментальных методов исследований выяснилось, что, несмотря на общность структурной, биохимической и физиологической организации, 
присущую жи вым организмам, царство протистов делится на две 
группы. Первую составляют высшие протисты-эукариоты, клетки 
которых по строению сходны с клетками животных и растений. Отличительные особенности эукариотической клетки — структурная 
организация ядра и способ его деления. Клетки эукариот имеют обособленное ядро, отделенное от цитоплазмы мембраной (рис. 1.1).

Микроворсинки
Центросома

Центриоли

Вакуоли

Ядро

Ядерная 
оболочка

Митохондрии
Внутриклеточные нити
Ядрышки

Рибосомы

Лизосомы

Эндоплазматический ретикулум гладкий

Эндоплазматический ретикулум 
складчатый

Цитоплазма

Клеточная 
или цитоплазматическая 
оболочка

Рис. 1.1. Схема строения эукариотической клетки

Рассмотрим подробнее строение эукариотической клетки 

на примере дрожжевой. Эукариотическая клетка включает цитоплазму, имеющую достаточно сложное строение и заключенную 
в многослойную клеточную стенку. У клеток эукариот клеточная 
стенка представлена прочной эластичной оболочкой, позволяющей 
отделять содержимое клетки от внешней среды и регулировать ее 
проницаемость. Поры клеточной стенки имеют размеры до 3,5 нм, 
что позволяет биополимерам с большой молекулярной массой проникать внутрь клетки, а также выводиться в окружающую среду. 
Клеточная стенка составляет существенную долю в массе клетки  
(~10–30% по сухой массе) и имеет толщину приблизительно от 150 
до 280 нм. Клеточная стенка на 60–70% состоит из гемицеллюлоз, 
которые примерно в равных долях представлены маннаном и глюканом. Кроме того, в состав клеточной стенки входят белок, хитин, 
липиды и различные минеральные соединения.

Клеточная стенка обычно состоит из трех слоев, хотя их может 

быть и более десяти. Внешний слой — это липопротеидная мембрана толщиной порядка 15–30 нм. Следующий фибриллярный 
слой состоит из маннанопротеинового комплекса и имеет толщину 
до 100 нм. Третий слой может быть фибриллярным или гомогенным и состоит преимущественно из глюкана.

В клеточной стенке, а также между стенкой и цитоплазматиче
ской мембраной содержатся различные фермен ты, транспортные 
белки и другие вещества.

Непосредственно за клеточной стенкой располагается цитоплаз
матическая мембрана (ЦПМ), имеющая толщину 8–10 нм. ЦПМ 
регулирует процесс обмена веществ в клетке. Поверхность ЦПМ 
может быть гладкой или иметь выпячивания (инвагинации). Известно, что инвагинации цитоплазматической мембраны, например 
у дрожжевых клеток, могут достигать в длину 300 нм, а в ширину 
и глубину соответственно до 30 и 5 нм. Количество инвагинаций 
и их размеры зависят от физиологического состояния клеток. Глубокие инвагинации ЦПМ близки к мезосомам, причем их количество возрастает при снижении содержания необходимых веществ 
в питательной среде.

Внутреннее полужидкое содержимое клетки, ограниченное 

ЦПМ, называется цитоплазмой; в ней находятся все клеточные органоиды: эндоплазматический ретикулум, ядро, рибосомы, аппарат 
Гольджи, лизосомы, вакуоли, митохондрии. Цитоплазма клетки находится в постоянном движении. Это способствует перемещению 
растворенных веществ внутри клетки, например фермен тов, аминокислот, углеводов, витаминов, минеральных веществ и др.

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) не имеет строго опреде
ленного места в клетке, является мембранной системой, имеющей 
вид канальцев, пузырьков и цистерн, контактирует с ЦПМ и ядром 
и состоит из липопротеидов. При этом липиды составляют приблизительно половину по массе. ЭР бывает гладким и складчатым (шероховатым). Дрожжевые клетки имеют преимущественно гладкий 
ЭР, ответственный за углеводный и липидный обмен. Поверхность 
складчатого ЭР незначительна, причем здесь концентрируются рибосомы, в которых происходит синтез белка.

Аппарат (комплекс) Гольджи (АГ), названный так в честь ита
льянского ученого К. Гольджи (1987 г.), — мембранная структура 
клетки, состоящая из пузырьков и ряда дисковидных пластин. Мембраны в аппарате Гольджи упакованы весьма плотно — расстояние 
между ними составляет от 20 до 230 нм. Функции АГ — синтез материала для формирования клеточных стенок, место образования 
лизосом, удаления продуктов обмена перед их выводом из клетки 
и, что главное, выведения веществ, синтезированных в ЭР.

Рибосомы состоят из нуклеопротеидов и распределены по всей 

цитоплазме. Количество рибосом, ответственных за синтез белков, 
в клетке зависит от возраста клетки и среды ее обитания. При этом 
рибосомы могут деградировать или группироваться в полирибосомы. Только при выполнении условий соблюдения определенного 
размера рибосомы и ее состояния обеспечивается нормальный 
синтез белка.

Лизосомы — клеточные структуры и образования, выполняющие 

различные функции, в частности запасающие гранулы, содержащие 
фермен ты, пищеварительные вакуоли, вторичные лизосомы и др. 
При этом к лизосомам также относят сегрегационные гранулы, 
которые образуются в клетках при неблагоприятном воздействии 
на них какого-либо фактора. Особенностью лизосом является наличие в них протеолитических и лизирующих ферментных систем.

Вакуоли — производные эндоплазматического ретикулума либо 

аппарата Гольджи, выполняющие различные функции: локализация запасных веществ в клетке, накопление продуктов метаболизма. Вакуоли отделены от цитоплазмы липопротеидной мембраной, на поверхности которой находятся фермен ты. С возрастом 
клетки количество вакуолей увеличивается.

Митохондрии — замкнутые клеточные структуры с много
численными перегородками, возникающие в результате инвагинации цитоплазматической мембраны, имеющие различные размеры и эллипсоидальную, круглую или удлиненную форму. Эти 
структуры ответственны за энергетический обмен клетки. В мито

хондриях обнаружен полный комплект системы, синтезирующей 
белок. Видимо, эта система синтезирует структурные белки внутренней мембраны митохондрии и находящиеся в этой мембране 
фермен ты.

Ядро играет главную роль в передаче наследственной инфор
мации, регулирует обмен веществ, синтез белка, процесс размножения и др. Оно имеет специальную ядерную оболочку. Клеточное 
ядро обычно бывает одним на клетку (есть примеры многоядерных 
клеток), состоит из ядерной оболочки, отделяющей его от цитоплазмы, хроматина, ядрышка, кариоплазмы (или ядерного сока). 
Эти четыре основных компонента встречаются практически во всех 
неделящихся клетках эукариотических одно- и многоклеточных организмов.

Основным составляющим ядра эукариотов является хроматин, 

который перед делением концентрируется в хромосомах — своеобразных хранилищах информации, содержащих дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и белки особого типа.

При делении клеток весь генный аппарат удваивается и при 

этом каждая клетка получает полный набор хромосом, обеспечивающих весь объем необходимой информации.

Ядро — основа жизни клетки, поскольку именно оно регулирует 

активность клетки в процессе ее полного цикла жизнедеятельности.

Из микроорганизмов к эукариотам относятся простейшие, 

грибы, водоросли (кроме синезеленых).

Вторую группу образуют низшие протисты, называемые прока
риотами (доядерными). В клетках прокариот сформированное ядро 
отсутствует, но есть ядроподобные образования — нуклеоиды, которые имеют более простое строение и не отделены от цитоплазмы 
оболочкой. Наследственную информацию несет одна хромосома, 
представляющая собой длинную молекулу ДНК. У прокариот отсутствуют направленное движение цитоплазмы, внутриклеточное 
пищеварение, явления фагоцитоза и пиноцитоза. Клетки прокариот 
значительно меньше эукариотических клеток. И в целом следует 
отметить, что прокариоты представляют более простую форму 
жизни, чем эукариоты.

С учетом особо важной роли, которую прокариоты выполняют 

в процессах очистки воды, почвы, отходов и воздуха, рассмотрим 
более подробно их свойства.

Отдельные основные элемен ты прокариотной клетки показаны 

на рис. 1.2.

Клетка прокариот с внешней стороны покрыта прочной кле
точной стенкой. К ней примыкают последовательно ЦПМ и цито