Физико-химическая обработка техногенных и сточных вод с использованием комбинированной флотационной техники

Б.С. КСЕНОФОНТОВ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ 
ОБРАБОТКА ТЕХНОГЕННЫХ 
И СТОЧНЫХ ВОД 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 
КОМБИНИРОВАННОЙ 
ФЛОТАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
МОНОГРАФИЯ
Москва
ИНФРА-М
2025

УДК 628.16(075.4)
ББК 38.761.104
 
К86
Р е ц е н з е н т ы:
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, профессор Российского университета дружбы народов
Ксенофонтов Б.С.
К86  
Физико- 
химическая обработка техногенных и сточных вод  с использованием комбинированной флотационной техники : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 288 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/2163263.
ISBN 978-5-16-020218-1 (print)
ISBN 978-5-16-112746-9 (online)
В монографии впервые в мировой практике рассмотрены актуальные 
вопросы физико- 
химической обработки техногенных вод с использованием комбинированной флотационной техники, в том числе флотокомбайнов 
различного назначения. Большое внимание уделено извлечению металлов 
из техногенных вод. Достаточно подробно рассмотрены основы ионной 
флотации, используемой для извлечения ценных металлов ионов. Показано, что использование флотокомбайнов позволяет заметно повысить 
извлечение различных загрязнений из техногенных вод, причем с уменьшенными затратами энергии и материалов.
Предназначена для научных сотрудников, преподавателей вузов, студентов 
и всех интересующихся проблемами очистки техногенных и сточных вод. 
УДК 628.16(075.4)
ББК 38.761.104
Данная книга доступна в цветном  
исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium
ISBN 978-5-16-020218-1 (print)
ISBN 978-5-16-112746-9 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2024

Введение
Анализ работы очистных сооружений городских сточных вод показывает, что современные технологии, обеспечивающие удаление 
азота и фосфора, применяются только на небольшом количестве 
(около 10%) объектов России. При переходе на технологическое нормирование перед многими водоканалами встанет вопрос не только 
о модернизации очистных сооружений для внедрения современных 
технологий, но и об эффективности этих мероприятий для обеспечения достижения нормативов. При этом водоканалы получили под 
эгидой государства большие возможности повышения требований 
к сточным водам, сбрасываемых в канализацию (Постановление 
Правительства РФ от 22.05.2020 № 728). Особенно ужесточение 
требований касается сложных органических веществ, в частности 
полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).
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 (АИ). 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 АИ 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 органические вещества в ряде случаев и могут быть окислены биохимическим путем, однако в настоящее время требования ужесточаются 
к качеству сточных вод, сбрасываемых в канализацию. Это приводит к необходимости применения новых технологий, в основе 
которых заложено использование различных физико-химических 
воздействий [1–95].
3

Глава 1. 
ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ 
СТОЧНЫХ ВОД
Основными методами химической очистки сточных вод являются 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 обыч 
ной практике сточные воды, содержащие минеральные 
кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие pH 6,5…8,5.
Нейтрализацию можно проводить различным путем: смешением 
кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией 
кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми 
водами. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки.
Для нейтрализации кислых вод используют: NaOH, КОН, Na2CO3, 
NH4OH (аммиачная вода), СаСO3, MgCO3, доломит (CaCO3 ×
× MgCO3), цемент. Наиболее доступным реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием 5…10% активной извести Са(ОН)2. Иногда для нейтрализации применяют отходы производства, например, шлаки металлургических производств.
Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации 
кислой сточной воды. Различают три вида кислотосодержащих 
сточных вод:
 
• воды, содержащие слабые кислоты (Н2СO3, СН3СООН);
 
• воды, содержащие сильные кислоты (НСl, HNO3);
 
• воды, содержащие серную и сернистую кислоты.
4

При нейтрализации производственных сточных вод, содержащих серную кислоту, реакция в зависимости от применяемого 
реагента протекает по уравнениям:
 
Н2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 + 2H2O
 
Н2SO4 + CaCO3 = CaSO4 + H2O + CO2
При нейтрализации известковым молоком сточных вод, содержащих серную кислоту, в осадок выпадает гипс (CaSO4 · 2Н2O), что 
вызывает отложение его на стенках трубопроводов.
Для нейтрализации щелочных сточных вод используют также 
различные кислоты или кислые газы, например, отходящие газы, 
содержащие СO2, SO2, NO2, N2O3 и др. Применение кислых газов 
позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно очищать от вредных компонентов сами газы.
Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами является ресурсосберегающей технологией, так как при этом ликвидируется 
сброс сточных вод, сокращается потребление свежей воды, экономится тепловая энергия на подогрев свежей воды, а также очищаются дымовые газы от кислых компонентов (СO2, SO2 и др.) 
и от пыли.
Химическая обработка сточных вод наряду с нейтрализацией 
в ряде случаев может включать и окисление загрязнений, содержащихся в сточных водах. Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды, комплексные цианиды меди 
и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать 
из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, 
сульфиды). Для очистки сточных вод используют, например, следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид 
хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, 
пероксосерные кислоты, озон, пиролюзит и др.
В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся 
в сточных водах, в результате химических реакций переходят 
в менее токсичные, которые удаляют из воды.
Активность вещества как окислителя определяется величиной 
окислительного потенциала. Первое место среди окислителей занимает фтор, который из-за высокой агрессивности не может быть 
использован на практике. Для других веществ величина окислительного потенциала равна: для озона —  
2,07; для хлора —  
0,94; 
для пероксида водорода —  
0,68; для перманганата калия —  
0,59.
5

Окисление активным хлором. Хлор и вещества, содержащие 
активный хлор, являются наиболее распространенными окислителями. Их используют для очистки сточных вод от сероводорода, 
гидросульфида, метилсернистых соединений, фенолов, цианидов 
и др.
При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты:
 
Cl2 + H2O → HOCl + HCl
Окисление цианидов хлором можно проводить только в щелочной среде (pH > 9…10)
 
CN– + 2OH– + Cl2 → CNO– + 2Cl– + 2H2O
Образующиеся цианаты можно окислить до элементарного 
азота и диоксида углерода:
 
2CNO– + 4OH– + 3Cl2 → 2CO2↑ + 6Cl– + N2↑ + 2H2O
При наличии в сточной воде аммиака, аммонийных солей 
или органических веществ, содержащих аминогруппы, хлор, хлорноватистая кислота и гипохлориты вступают с ними в реакцию, 
образуя моно- и дихлорамины, а также треххлористый азот:
 
NH3 + HOCl  → NH2Cl + H2O
 
NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O
 
NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O
Окисление кислородом воздуха. Реакция окисления кислородом идет в жидкой фазе при повышенных температуре и давлении. При окислении сточных вод целлюлозных, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств протекают следующие 
реакции:
 
2HS– + 2O2 → S2O3
2– + H2O
 
2HS– + 3O2 + 2OH– → 2SO3
2– + 2H2O
 
2HS– + 4O2 + 2OH– → 2SO4
2– + 2H2O
С повышением температуры и давления скорость реакции и глубина окисления сульфидов и гидросульфидов увеличиваются.
6

Кислород воздуха используют также при очистке воды от железа. В этом случае реакция окисления в водном растворе протекает 
по схеме
 
4Fe2+ + O2 + 2H2O = 4Fe+3 + 4OH–
 
Fe3+ + 3H2O  = Fe(OH)3 + 3H+
Осуществить процесс разрушения сульфидных соединений 
можно также диоксидом углерода, содержащимся в отходящих дымовых газах. Образование карбонатов происходит по следующим 
уравнениям:
 
Na2S + CO2 + H2O → Na2CO3 + H2S
 
2NaHS + CO2 + H2O → Na2CO3 + 2H2S
Выделяющийся сероводород, выносимый дымовыми газами 
и паром, направляется на сжигание, а при использовании диоксида 
углерода он служит сырьем для получения серной кислоты.
Озонирование. Озон —  
сильный окислитель, обладающий способностью разрушать в водных раство 
рах при нормальной температуре многие органические вещества и примеси. Окисление 
озоном позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, 
устранение привкусов и запахов и обеззараживание. Озон окисляет 
как неорганические, так и органические вещества, растворенные 
в сточной воде. Озонированием можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ, 
цианидов, красителей, канцерогенных ароматических углеводородов, 
пестицидов и др. При обработке воды озоном происходит разложение 
органических веществ и обеззараживание воды; бактерии погибают 
в несколько тысяч раз быстрее, чем при обработке воды хлором.
При проведении реакции окисления сероводорода на первой 
стадии наблюдается выделение серы, а на второй —  
окисление 
непосредственно до H2SO4:
 
H2S + O3 → S + O2 + H2O
 
3H2S + 4O3 → 3H2SO4
Реакции протекают одновременно, но при избытке озона преобладает вторая.
При окислении цианидов протекают следующие реакции:
 
CN– + O3 → CNO– + O2
 
CNO– + 2H+ + H2O → CO2 + NH4 
7

Действие озона в процессах окисления может происходить 
в трех различных направлениях: непосредственное окисление 
с участием одного атома кислорода; присоединение целой 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.
Непрямое окисление —  
это окисление радикалами, образующимися в результате перехода озона из газовой фазы в жидкость и его 
саморазложения.
Озонолиз представляет собой процесс фиксации озона 
на двой 
ной или тройной углеродной связи с последующим ее разрывом и образованием озонидов, которые, как и озон, являются 
нестойкими соединениями и быстро разлагаются.
Процесс очистки сточных вод значительно увеличивается 
при совместном использовании ультразвука и озона, ультрафиолетового облучения и озона. Ультрафиолетовое облучение ускоряет 
окисление в 102…104 раза.
Эффективным способом является электрохимическое окисление. Электрохимические методы очистки основаны на электролизе производственных 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 небольших расходах сточных вод. Эффективность 
электрохимического окисления представлена в табл. 1.1 на примере 
электролизной обработки, отработанной культуральной жидкости 
производства кормовых дрожжей при плотности тока 20 мА/см2 
в виде зависимости химического потребления кислорода (ХПК, 
мг/л) от времени t (мин).
Таблица 1.1
Зависимость химического потребления кислорода от времени 
электролизной обработки, отработанной культуральной жидкости 
производства кормовых дрожжей при плотности тока 20 мА/см2
ХПК, мг/л
1468
1369
1247
1126
1024
879
742
652
t, мин
0
5
10
15
20
25
30
35
8

Анализ представленных в табл. 1.1 данных показывает, что 
при электролизной обработке, отработанной культуральной жидкости производства кормовых дрожжей при плотности тока 20 мА/см2 
ХПК очищаемой жидкости снижается примерно в 2 раза в течение 
35 минут, что подтверждает высокую эффективность использования электрохимического окисления.
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. Большое значение при электрохимическом окислении имеет плотность тока.
Чтобы предотвратить смешение продуктов электролиза, особенно газов (водорода и кислорода), которые могут образовать 
взрывоопасные смеси, применяют керамические, полиэтиленовые, 
асбестовые и стеклянные диафрагмы, разделяющие анодное и катодное пространство.
В процессе анодного окисления происходит деструкция органических веществ с получением промежуточных или конечных продуктов окисления в виде органических кислот, СO2, Н2O и др.
При электролизе щелочных сточных вод, содержащих цианиды, 
на аноде происходит окисление цианид-ионов с образованием 
цианат-ионов и дальнейшим их электрохимическим окислением 
до конечных продуктов:
 
CN– + 2OH– – 2e → CNO– + H2O
 
2CNO– + 4OH– – 6e → 2CO2↑ + N2↑ + 2H2O
В целях 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, участвующих в процессе окисления:
 
2Cl– – 2e → Cl2
 
Cl2 + CN– + 2OH– → CNO– + 2Cl– + H2O
Известны способы и радиационного окисления. При действии излучений высоких энергий на водные среды, содержащие различные 
органические вещества, возникает большое число окислительных 
частиц, обусловливающих процессы окисления. Радиационно-химические превращения протекают не за счет радиолиза загрязня9

ющих воду веществ, а за счет реакции этих веществ с продуктами 
радиолиза воды: ОН–, НO2– (в присутствии кислорода), Н2O2, Н+ 
и егидр (гидратированный электрон), первые три из которых являются окислителями. В качестве источников излучения могут быть 
использованы радиоактивные кобальт и цезий, тепловыделяющие 
элемен 
ты, радиационные контуры, ускорители электронов.
10