Экологическая биотехнология. Биологическая очистка сточных вод

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Д. И. Мухортов 
Н. А. Иванова 
Т. Н. Криворотова 
 
 
 
 
 
 
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ.  
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД 
 
 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Йошкар-Ола 
ПГТУ 
2024 
 
1 

 
УДК 60:502.1:628.3(075.8) 
ББК  30.69я73 
М 92 
 
Рецензенты: 
кандидат сельскохозяйственных наук, эксперт АУ РМЭ «Управление 
государственной экспертизы проектной документации  
и результатов инженерных изысканий» К. А. Копылов; 
начальник аналитического центра контроля качества воды и экологии 
МУП «Водоканал» г. Йошкар-Олы» муниципального образования  
«Город Йошкар-Ола» Н. А. Кочева 
 
Печатается по решению  
редакционно-издательского совета ПГТУ 
 
 
Мухортов, Д. И.  
М 92     Экологическая биотехнология. Биологическая очистка сточных 
вод: учебно-методическое пособие / Д. И. Мухортов, Н. А. Иванова, 
Т. Н. Криворотова. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный 
технический университет, 2024. – 120 с. 
ISBN 978-5-8158-2384-6 
 
В учебном пособии изложены теоретические положения об основных 
характеристиках сточных вод, рассмотрены и обобщены способы очистки 
сточных вод, а также конструкции установок и аппаратов. Особое внимание уделено проектированию и расчетам основных сооружений биологической очистки городских сточных вод, методикам проведения химического и микробиологического анализа качества воды, которые необходимы 
для освоения содержания дисциплин, выполнения практических и лабораторных заданий, а также профессиональной деятельности. 
Пособие предназначено для студентов направления подготовки «Биотехнология». 
 
УДК 60:502.1:628.3(075.8) 
ББК 30.69я73 
 
ISBN 978-5-8158-2384-6 
© Мухортов Д. И., Иванова Н. А.,  
Криворотова Т. Н., 2024 
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2024 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие 
............................................................................................. 5 
Введение. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ............ 6 
 
1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 
....................................................... 20 
1.1. Теоретические сведения 
......................................................... 20 
1.2. Методика выполнения расчета 
.............................................. 24 
1.2.1. Расчет капельного биофильтра ................................ 24 
Задание ................................................................................... 28 
1.2.2. Расчет высоконагружаемого биофильтра .............. 29 
Задание ................................................................................... 35 
 
2. АЭРОТЕНКИ ..................................................................................... 37 
2.1. Теоретические сведения 
......................................................... 37 
2.1.1. Принципы очистки сточных вод в аэротенках 
........ 37 
2.1.2. Технологические характеристики работы  
аэрационных сооружений ..................................................... 38 
2.1.3. Технологические схемы очистки сточных вод  
в аэротанках .......................................................................... 40 
2.1.4. Классификация аэротенков по гидравлической  
схеме работы и нагрузке ...................................................... 42 
2.2. Методика выполнения расчета 
.............................................. 44 
Задание ................................................................................... 50 
 
3. ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ КАНАЛЫ ............... 51 
3.1. Теоретические сведения 
......................................................... 51 
3.2. Методика выполнения расчета 
.............................................. 52 
Задание ................................................................................... 55 
 
4. ОКСИТЕНКИ 
..................................................................................... 57 
4.1. Теоретические сведения 
......................................................... 57 
4.2. Методика выполнения расчета 
.............................................. 59 
Задание ................................................................................... 68 
3 

 
 
5. ПОЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ И ПОЛЯ ОРОШЕНИЯ .............................. 70 
5.1. Теоретические сведения 
......................................................... 70 
5.2. Методика выполнения расчета 
.............................................. 75  
Задание ................................................................................... 78 
 
6. УДАЛЕНИЕ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД .. 79 
6.1. Теоретические сведения 
......................................................... 79 
6.1.1. Удаление из сточной воды соединений азота .......... 79 
6.1.2. Удаление из сточной воды соединений фосфора ..... 83 
6.2. Методика выполнения расчета 
.............................................. 85 
6.2.1. Расчет нитриденитрификации  
в аэротенках-нитрификаторах .................................................. 
85 
Задание ................................................................................... 89 
6.2.2. Расчет биолого-химической очистки от фосфора 
.. 91 
Задание ................................................................................... 94 
 
7. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВОДЫ ....................................... 96 
7.1. Определение органолептических свойств воды .................. 96 
Лабораторная работа № 1. Определение  
органолептических свойств воды ...................................... 100 
7.2. Химические методы определения тяжелых металлов....... 104 
Лабораторная работа № 2. Химические методы  
определения тяжелых металлов в воде 
.............................. 104 
7.3. Микробиологический анализ воды ..................................... 108 
Лабораторная работа № 3. Микробиологический  
анализ воды .......................................................................... 112 
 
Список литературы 
.............................................................................. 114 
Приложение 
.......................................................................................... 116 
 
 
4 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
В настоящее время одними из основных направлений развития 
и применения биоэкотехнологий в рамках охраны водных ресурсов 
являются:  
- внедрение более эффективных экологически чистых процессов 
производства;  
- переход на замкнутые циклы промышленного водоснабжения, 
где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах;  
- водоочистка и водоподготовка для обеспечения качества питьевой воды; 
- биологические способы глубокой очистки воды; удаление избыточного содержания таких биогенных элементов, как азот и фосфор, 
для предотвращения эвтрофикации водоемов. 
Учебно-методическое пособие «Экологическая биотехнология. 
Биологическая очистка сточных вод» составлено в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего 
образования по направлениям подготовки 19.03.01 и 19.04.01 «Биотехнология». Основной целью пособия является изучение способов 
очистки сточных вод и получение навыков проектирования и расчета 
параметров основных видов сооружений биологической очистки городских сточных вод. 
В каждом разделе пособия подробно раскрыты теория и практика 
проектирования сооружений, которые составляют основу стадий полной биологической очистки и глубокой очистки: аэротенки, биофильтры, поля орошения и фильтрации, окситенки, циркуляционные окислительные каналы, нитриденитрификаторы. Кроме того, описаны методики определения органолептических свойств, химического и микробиологического анализа качества воды. Для каждой группы конструкций и аппаратов приведены подробное описание технических 
характеристик, графические схемы, методики и примеры расчета, что 
позволяет качественно освоить учебный материал.  
 
 
5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД 
 
Проблема очистки окружающей среды от загрязнений возникла 
еще 5000 лет назад. Уже в Древнем Риме воды Тибра были непригодны для питья, поэтому сооружались акведуки для снабжения населения свежей водой (знаменитый римский водопровод был построен 
за 400 или 500 лет до н.э.), а нечистоты удаляли в море по сточным 
каналам.  
Для Европы эта проблема стала актуальной в средние века.  
К 70-м годам XIX века в промышленно развитых городах многие водоемы представляли серьезную угрозу для здоровья людей. Стоки и 
загрязнения, попадающие в питьевую воду, были причиной различных заболеваний населения и домашнего скота. В городах с середины 
XIX века началось строительство канализационных сетей, а на рубеже XIX-XX веков начали уделять большое внимание развитию городского коммунального хозяйства и очистке сточных вод. 
Способы очистки сточных вод постоянно совершенствуются. 
Первоначально их спускали в открытые канавы и затем подвергали 
механической очистке в бассейнах-отстойниках (очистных прудах). 
Затем стали использовать для обезвреживания сточных вод специально подготовленные поля (поля орошения). На полях орошения и 
очистных прудах сточные воды очищаются в условиях, близких к 
естественным. Эти способы применяют до сих пор для очистки промышленных и городских стоков. 
В 1865 году А. Мюллер предложил биологическую очистку сточных вод с использованием микроорганизмов. Примерно в это же 
время для очистки воды от органических веществ стали применять 
капельный фильтр (перколяционный слой).  
В 1914 году была предложена система аэробной биологической 
очистки с использованием активного ила и принудительной аэрации, в 
результате чего заметно повысилась эффективность очистки сточных 
вод – время, необходимое для окисления сточных вод, сокращалось от 
нескольких недель до нескольких часов. 
6 

 
В настоящее время одними из основных направлений развития 
и применения биоэкотехнологий в рамках охраны водных ресурсов 
являются:  
- внедрение более эффективных экологически чистых процессов 
производства;  
- переход на замкнутые циклы промышленного водоснабжения, 
где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах;  
- водоочистка и водоподготовка для обеспечения качества питьевой воды; 
- биологические способы глубокой очистки воды, удаления избыточного содержания таких биогенных элементов, как азот и фосфор, 
для предотвращения эвтрофикации водоемов. 
Для решения экологических проблем способами биотехнологии 
используют главным образом эволюционно сложившиеся функции 
микроорганизмов: их роль в биогеохимическом круговороте веществ 
в природе, процессах самоочищения экосистем, деградации техногенных загрязнений, образовании почвенного гумуса, минерализации 
ежегодно образующейся массы органических веществ, природных 
биополимеров и др.  
Таким образом, биотехнология в сфере охраны окружающей 
среды занимает наиболее важное место в процессах очистки сточных 
вод и водных объектов, к которым относятся биологическая очистка 
в аэротенках, на биофильтрах, анаэробное сбраживание органических 
отходов в метантенках и реакторах различных конструкций и т.д. 
Биологические способы очистки загрязненных сред занимают приоритетное место в природоохранных программах ведущих экономически развитых стран.  
 
Природные водные среды (основные характеристики) 
Вода играет исключительную роль в географической оболочке 
Земли, определяет возможность протекания всех биохимических 
процессов жизнедеятельности живых организмов. Особое значение 
для человека имеют пресная вода, вода рек, озер и водохранилищ, 
7 

 
подземных водоносных горизонтов. Для понимания необходимой 
степени очистки загрязненных сточных вод нужно знать характеристику природных вод. 
Экосистемы природных водных сред суши имеют много общего. 
Речные экосистемы отличаются от других меньшим временем оборота воды. Течение в реках создает условия для турбулизации воды, 
переноса больших масс растворенных соединений и взвешенных частиц. Поступление загрязнений в речные воды может приводить к неблагоприятным последствиям, но в случае прекращения поступления 
загрязнений возможно восстановление речной экосистемы.  
В озерах выделяют ряд зон: литораль, прибрежное мелководье, 
сублитораль, простирающуюся до нижней границы водной растительности, и в наиболее глубоких озерах профундаль, располагающуюся ниже сублиторали. Дно, придонный слой и донные отложения – 
бентальная зона. Выделяют также хорошо перемешиваемый верхний 
водный слой – эпилимнион, глубинный слой холодных вод – гиполимнион, промежуточный – металимнион. 
Водохранилища имеют многоцелевое использование, включающее регуляцию стока рек, водоснабжение, создание напора воды в 
гидроэнергетических сооружениях, орошение, судоходство, рыбное 
хозяйство и отдых. 
Подземные пресные воды формируются в результате просачивания поверхностных дождевых и талых вод в почву и подстилающие 
породы. По условиям залегания подземные воды разделяют на верховодку, грунтовые и артезианские. К верховодке относятся воды, залегающие наиболее близко к поверхности земли при временном переувлажнении. Грунтовые воды проникают глубже и скапливаются над 
водоупорными пластами. Артезианские воды – это подземные воды, 
залегающие между водонепроницаемыми пластами, находящиеся под 
напором. 
К абиотическим факторам, влияющим на водные экосистемы, 
относятся: 
1) температурный режим;  
2) освещенность над зеркалом воды;  
8 

 
3) прозрачность воды;  
4) скорость течения и перемешивание воды. 
Абиотические факторы оказывают воздействие: 
1) на гидрохимические показатели воды, в том числе: 
- рН; 
- окислительно-восстановительный потенциал;  
- содержание взвешенных и растворенных веществ, абиогенных 
и биогенных элементов, органического вещества;  
- газовый режим; 
2) характер и динамику донных отложений. 
Биота природной водной среды представляет собой совокупность 
населяющих воду гидробионтов. В зависимости от места обитания и 
типа водоема выделяют два типа гидробионтов: 
1) пелагос (население толщи воды);  
2) бентос (обитатели дна бассейна). 
 
Основные сведения о сточных водах 
Сточные воды – любые воды и атмосферные осадки, отводимые 
в водоёмы с территорий промышленных предприятий и населённых 
мест через систему канализации или самотёком, свойства которых 
оказались ухудшенными в результате деятельности человека. 
Сточные воды могут быть классифицированы по источнику происхождения: 
• 
производственные (промышленные) сточные воды, образующиеся в технологических процессах производств и отводимые через 
систему промышленной или общесплавной канализации; 
• 
бытовые (хозяйственно-бытовые) сточные воды, образующиеся в результате бытовой жизнедеятельности человека и  
отводимые через систему хозяйственно-бытовой или общесплавной 
канализации; 
• 
поверхностные сточные воды (дождевые и талые, образующиеся при таянии снега, льда, града), отводимые, как правило, через систему ливневой канализации. Также их называют ливневыми 
стоками. 
9 

 
Производственные сточные воды, в отличие от атмосферных и 
бытовых, не имеют постоянного состава и могут быть разделены: 
1) по составу загрязнителей: 
• загрязнённые преимущественно минеральными примесями; 
• загрязнённые в основном органическими примесями; 
• загрязнённые как минеральными, так и органическими примесями; 
2) по концентрации загрязняющих веществ: 
• слабозагрязненные (с содержанием примесей 1–500 мг/л); 
• среднезагрязненные (с содержанием примесей 500–5000 мг/л); 
• сильнозагрязненные (с содержанием примесей 5000–30000 мг/л); 
• опасные (с содержанием примесей более 30000 мг/л); 
3) по свойствам загрязнителей; 
4) по кислотности: 
• неагрессивные (pH 6,5–8); 
• слабоагрессивные: слабощелочные (pH 8–9) и слабокислые 
(pH 6–6,5); 
• сильноагрессивные: сильнощелочные (pH > 9) и сильнокислые 
(pH < 6); 
5) по токсическому действию и действию загрязнителей на водные объекты: 
• содержащие вещества, влияющие на общесанитарное состояние водоёма (например, на скорость процессов самоочищения); 
• содержащие вещества, изменяющие органолептические свойства (вкус, запах и др.); 
• содержащие вещества, токсичные для человека и обитающих в 
водоёмах животных и растений. 
Для определения характера и степени загрязненности сточных 
вод, качества очистки используется ряд показателей. 
Органолептические показатели: цвет, вид, запах, мутность, 
прозрачность. 
Вкус и запах воды определяются для холодной и подогретой до 
60 °C воды и оцениваются по следующей системе: 
0 баллов – запах и привкус не обнаруживаются; 
10