Разработка и использование низкоуглеродных технологических схем очистки сточных вод

Б.С. КСЕНОФОНТОВ
РАЗРАБОТКА 
И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 
НИЗКОУГЛЕРОДНЫХ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ 
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
МОНОГРАФИЯ
Москва
ИНФРА-М
2025

УДК 628.3(075.4)
ББК 38.761.104
 
К86
Р е ц е н з е н т:
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, профессор Российского университета дружбы народов
Ксенофонтов Б.С.
К86  
Разработка 
и 
использование 
низкоуглеродных 
технологических схем очистки сточных вод : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 200 с. — (Научная мысль). — 
DOI 10.12737/2180377.
ISBN 978-5-16-020533-5 (print)
ISBN 978-5-16-113188-6 (online)
В монографии впервые в мировой литературе показаны возможности 
использования биотехнологий и сооружений очистки сточных вод в виде 
низкоуглеродных технологических схем для улавливания и утилизации 
парниковых газов, в том числе углекислого газа и метана. Проанализированы варианты применения физико-химических, в том числе флотационных, технологий очистки сточных вод для улавливания и утилизации 
углекислого газа и метана, а также выращивание микроводорослей, для 
которых углекислый газ является субстратом. Приводятся примеры использования утилизации углекислого газа при выращивании микроводорослей и метана в различных направлениях его применения, в том числе 
для получения биомассы метанокисляющих бактерий. Приведены примеры ап 
паратурного оформления процессов улавливания и утилизации углекислого газа и метана, например с использованием специального оборудования, в том числе флотокомбайнов различного типа.
Предназначена для научных сотрудников, преподавателей вузов, аспирантов, студентов старших курсов и всех, кто интересуется проблемами 
охраны окружающей среды.
УДК 628.3(075.4)
ББК 38.761.104
Данная книга доступна в цветном  
исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium
ISBN 978-5-16-020533-5 (print)
ISBN 978-5-16-113188-6 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2025

Введение
В последние десятилетия проблема загрязнения окружающей 
среды выбросами парниковых газов все активнее обсуждается 
в современном научном обществе. В этой связи в РФ проводятся 
исследования как в области мониторинга парниковых газов, так 
и их улавливания и утилизации. Следует одновременно при этом 
отметить, что с ростом численности населения происходит увеличение потребления воды и, как следствие, повышение количества 
образующихся сточных вод, которые только частично очищаются. 
Указанные проблемы улавливания и утилизации углекислого газа 
и очистки сточных вод, по мнению автора, можно решить одновременно путем использования специальных биотехнологий и очистки 
сточных вод как с применением группы физико-химических, так 
и биологических способов. Следует отметить, что подобный подход 
автора впервые предлагается в мировой практике утилизации 
углекислого газа и метана, являющихся основными парниковыми 
газами. В широком варианте такого подхода необходимо использование специальных биотехнологических установок, а в более 
узком — локальных сооружений очистки сточных вод предприятий 
с относительно небольшой модернизацией.
Для решения этих проблем актуальным является проведение 
исследований и последующая разработка способов, направленных 
на создание комплексных физико-химических и биологических 
технологий обезвреживания сточных вод с применением микроводорослей, например Chlorella vulgaris (С. vulgaris) и, соответственно, 
с использованием углекислого газа в качестве источника углерода. 
На первой стадии необходимо уловить углекислый газ с использованием физико-химических способов, в том числе флотации, с его 
последующей утилизацией, например, путем культивирования 
микроводорослей. Утилизация метана возможна как путем культивирования метанокисляющих бактерий, так и применением его 
в качестве источника получения электричества и тепловой энергии.
Развиваемый оригинальный подход утилизации углекислого 
газа с использованием сочетания флотации и культивирования 
микроводорослей, а также комплексного использования метана 
впервые рассматривается в мировой и отечественной литературе 
[1–115], и автор надеется на его дальнейшее развитие.
3

Глава 1. 
ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ 
СТОЧНЫХ ВОД ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ 
И УТИЛИЗАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА 
И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ
1.1. ПРОЦЕССЫ СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ 
УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
Известно, что решение проблем глобального потепления отчасти связано с увеличением в атмосфере парниковых газов, в том 
числе углекислого газа и метана. Известны различные способы 
и устройства очистки газовых выбросов от газообразных загрязнений, в том числе от углекислого газа. Одним из вариантов является способ очистки газовых выбросов по принципу сорбции — десорбции углекислого газа в воде [1].
В простейшем варианте такой способ включает абсорбер, работающий при повышенном давлении, и десорбер, в котором вследствие снижения давления из воды выделяется углекислый газ. Для 
рекуперации энергии может иногда использоваться турбина, позволяющая использовать часть энергии за счет снижения давления 
жидкости и последующего расширения абсорбированного газа.
Основные преимущества такой водной очистки по принципу 
абсорбции — десорбции: это простота способа и конструкции установки, отсутствие теплообменников и кипятильников; отсутствие 
расхода тепла; дешевизна растворителя; отсутствие паров дорогого 
или токсичного растворителя, переходящего в газовую фазу.
Основные недостатки процесса водной очистки по принципу 
сорбции — десорбции: это невысокая степень очистки, большие 
потери газа при высоком давлении вследствие значительного повышения его растворимости; низкая поглотительная емкость воды 
по углекислому газу.
Известен способ [2], суть которого состоит в том, что очистку 
газов от углекислого газа проводят путем сорбции углекислого газа 
поглотителем с последующей десорбцией под пониженным давлением и при нагревании, причем в качестве поглотителя применяется сульфон.
Существенным недостатком известного способа является невысокая степень очистки газовых выбросов от углекислого газа, 
а также дороговизна поглотителя. Задачей в этом случае является 
4

разработка нового способа, обеспечивающего увеличение эффективности очистки газовых выбросов от углекислого газа и снижение затрат на поглотитель.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что предложен способ очистки газов от углекислого газа 
[3] путем сорбции поглотителем с последующей десорбцией под 
пониженным давлением при нагревании, причем отличительной 
особенностью является то, что на стадии промывки в качестве 
поглотителя используется водный щелочной раствор с рН 7–9, 
а на стадии десорбции кислый водный раствор с рН 1–5, причем 
изменение рН с щелочного до кислого значения происходит в течение 1–5 минут при воздействии на водный раствор магнитного 
поля с напряженностью в пределах от 500 до 5000 эрстед и градиентом магнитного поля от 10 до 200 эрстед/м.
Предлагаемый автором способ очистки газовых выбросов 
от углекислого газа [3] осуществляется путем сорбции поглотителем с повышенным давлением с последующей десорбцией 
под пониженным давлением и при нагревании, причем на стадии 
сорбции давление процесса составляет в пределах 0,3–2,9 МПа, 
а в качестве поглотителя используется водный щелочной раствор 
с рН 7–9, а на стадии десорбции кислый водный раствор с рН 1–5, 
причем изменение рН с щелочного до кислого значения происходит в течение 1–3 минут при воздействии магнитного поля напряженностью в пределах от 300 до 5000 эрстед с градиентом поля 
от 10 до 200 эрстед/м. При этом на стадии сорбции используется 
режим с повышенным давлением 0,3–2,9 МПа и пониженными температурами до 1–100°С, а на стадии десорбции пределы давления 
составляют 0,01–0,1 МПа, а температуры 20–900°С.
Реализация предлагаемого способа осуществляется путем 
пропускания газовых выбросов при повышенном давлении 0,3–
2,9 МПа через слой водного щелочного раствора, имеющего рН 7–9 
и температуру 1–100°С, а затем в течение 1–3 минут рН понижают 
до значений 1–5 в зоне действия магнитного поля с напряженностью поля 300–5000 эрстед с градиентом поля в пределах от 10 
до 200 эрстед/м. Использование магнитного поля с указанными 
параметрами, как показали наши исследования, позволяет при изменении рН практически за доли минуты привести состояние водного раствора до равновесного, который может далее эффективно 
использоваться на стадиях сорбции — десорбции.
При этом сорбцию проводят в режиме с повышенным давлением 
0,3–2,9 МПа и пониженными температурами до 1–100°С, а десорбцию углекислого газа из кислого водного раствора с рН 1–5 
проводят при пониженном давлении в пределах 0,01–0,1 МПа и повышенной температуре 20–90°С. Выбранные параметры режимов 
5

абсорбции и десорбции были обоснованы при проведении экспериментальных исследований. При значениях параметров, выходящих 
за пределы заявленных интервалов, степень очистки заметно падала и в этой связи необходимо было повторно проводить технологическую операцию очистки газовых выбросов, а следовательно, 
повышать эксплуатационные затраты.
Растворенный в воде углекислый газ можно использовать для 
производства различных продуктов, в том числе газировки, сухого 
льда и др. На рисунке 1.1 схематично показано, что в процессе производства основная продукция (П1) с основной стадии 2 поступает 
на финишную стадию комплектования 3 и далее направляется заказчику, образующиеся отходы после предварительной обработки 
на стадии 1 направляются на использование в качестве сырья 
на стадию 5, где получается продукция П2. При этом образующиеся 
отходы (О) подвергаются обработке на стадии 4 и направляются 
на утилизацию.
Рис. 1.1. Схема производства с попутным получением продукции из углекислого газа
Другой вариант улавливания и использования углекислого газа 
может быть реализован с использованием технологий очистки 
воды. Ранее нами был разработан и реализован в начале 90-х годов 
прошлого столетия способ напорной флотации с двумя рабочими 
жидкостями, одна из которых представляла собой насыщенный 
раствор углекислого газа [4].
Интенсифицировать процесс напорной флотацией можно с помощью реагентной обработки. Используются коагулянты, флокулянты, ПАВ. Это позволяет увеличивать размеры агрегатов, 
повышать их гидрофобность. К недостаткам реагентной обработки нужно отнести увеличение количества пены, которое влечет 
за собой сложности обезвоживания и утилизации осадков.
Эту проблему частично можно решить конструкционными способами, например, установкой после блока тонкослойного отстаи6

вания или фильтра. Можно провести вторичное насыщение флотируемой среды газовыми пузырьками большего размера. Часто насыщение проводят барботированием. Но при таком способе, кроме 
коалесценции пузырьков, происходит разрушение флотоагрегатов 
в связи с созданием высокого скоростного градиента большим пузырьком.
Наибольшей эффективности в коалесценции при напорной флотации удалось добиться при условиях, когда малый и большой пузырьки образуются непосредственно в жидкой фазе. Эти условия 
возможны, например, при использовании двух и нескольких рабочих жидкостей с газами разной растворимости.
Эта идея впервые была высказана Б.С. Ксенофонтовым 
в 1989 году и подробно исследована в ряде его работ и особенно 
в монографии [5], а в широком аспекте возможного применения 
защищена патентом [6].
Согласно данным Б.С. Ксенофонтова, при введении одной рабочей жидкости, насыщенной воздухом, образуется пузырек размером 0,01–0,05 мм в среднем. Скорость подъема таких флотоагрегатов 0,13–0,26 мм/с. При добавлении второй рабочей жидкости, 
насыщенной углекислым газом, образуется комплекс агрегат — пузырек воздуха (труднорастворимый газ) — пузырек углекислого 
газа (легкорастворимый газ). И пузырек углекислого газа коалесцирует через пузырек воздуха.
При таком способе флотации переход флотируемых частиц загрязнений в пену происходит в 2–2,5 раза быстрее. Таким образом, 
габариты флотационных аппаратов уменьшаются в 1,8 раза. Также 
происходит уплотнение пенного слоя, что подробным образом рассмотрено в работе. Процесс напорной флотации можно интенсифицировать путем введения второй рабочей жидкости [4]. Введение 
второго рабочего раствора — раствора легкорастворимого газа — 
приводит к повторению процесса образования второй фазы — газообразной. Для образования пузырька легкорастворимого газа также 
необходимо затратить энергию, причем бóльшую, чем при выделении пузырька воздуха, из-за хорошей растворимости газа, поэтому для выделения второго газа также требуются центры зарождения. Поскольку мгновенно из раствора выделился труднорастворимый газ — воздух, его пузырьки и являются центрами зарождения 
новой газообразной фазы — легкорастворимого газа. Выделение 
из раствора легкорастворимого газа идет медленнее, чем воздуха, 
и, следовательно, занимает большее время, но при этом увеличение 
газовых пузырьков происходит плавно, и прочность их не нарушается. В итоге образуется флотокомплекс, представляющий собой 
частицу загрязнения, в объеме и на поверхности которой расположены газовые пузырьки с размерами примерно 2–3 мм.
7

Флотационное извлечение хлопьев активного ила можно описать, используя многостадийную модель Ксенофонтова. Процесс 
флотационного извлечения имеет три состояния: A, B, C.
Состояние А — находящиеся в объеме жидкости хлопья активного 
ила и пузырьки не связаны и не контактируют. На первой стадии 
происходит контакт хлопка с пузырьком газа. В процессе слипания 
образуется флотокомплекс хлопок — пузырек (состояние В), который всплывает за счет архимедовых сил. Всплывшие в верхнюю 
часть жидкости флотокомплексы образуют пенный слой (состояние С). При этом возможны переходы не только из состояния 
А в состояние В и далее в состояние С, но и обратные переходы, соответственно, из состояния С в состояние В и далее в состояние А. 
При таком подходе к изучению флотационного извлечения и разделению всего процесса на три состояния, в общем, весь процесс 
можно описать следующей системой уравнений:
,
A
A
B
C
A
1
2
5
6
,
 
B
A
B
B
C
1
2
3
4
,
C
B
C
A
C
3
4
5
6
dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt





















где СА, СВ, СС — концентрации активного ила, соответственно, в состояниях А, В, С; k1, k2 — константы скорости перехода из состояния 
А в состояние В и обратно; k3, k4 — константы скорости перехода 
из состояния В в состояние С и обратно; k5, k6 — константы скорости перехода из состояния С в состояние А и обратно.
Определение кинетических констант флотационного процесса 
k1 — k6 является достаточно сложной задачей, однако именно они 
позволяют проводить подробные исследования и выполнять научно-обоснованные расчеты аппаратов.
Для всех констант, кроме k1, Б.С. Ксенофонтовым были предложены выражения для их вычисления.
Надежное слипание флотируемых частиц с пузырьками воздуха 
обеспечивается за счет того, что при напорной флотации размер пузырька минимален и выделяется непосредственно на извлекаемой 
частице.
Экспериментальные исследования, направленные на интенсификацию процесса напорной флотации путем введения второго 
рабочего раствора (образованного легкорастворимым газом), показали, что средние размеры газовых пузырьков во флотокомплексах 
составляют порядка 2 мм. Для флотокомплекса, размеры пузырька 
в котором ~2 мм, скорость подъема достигает до 5 см/с. Однако при 
8

этом значительно возрастает и турбулентная составляющая процесса, приводящая к разрушению комплексов и выпадению частиц. 
Согласно проводившимся опытно-промышленным испытаниям, 
проведенным Б.С. Ксенофонтовым, было установлено, что процесс 
флотации с использованием раствора СО2 в качестве второго рабочего раствора ускоряется в 2–2,5 раза [4]. 
Другой вариант использования водоочистных технологий 
связан с использованием микроводорослей, использующих в качестве субстрата углекислый газ [7]. При этом требуется почти 
двукратная масса углекислого газа на единицу биомассы микроводорослей, а точнее этот показатель равен 1,8. При этом важным 
является также то, что микроводоросли утилизируют остаточные 
питательные вещества, в том числе азот и фосфор. Такой вариант 
выращивания микроводорослей на финишной стадии очистки 
сточных вод способствует повышению эффективности очистки 
сточных вод и делает эту технологию более конкурентно способной.
Подобная технологическая схема (рис. 1.2), как правило, включает источник образования углекислого газа (поз. 1), сорбцию углекислого газа водным раствором (поз. 2), культивирование микроводорослей (поз. 3), выделение биомассы микроводорослей 4 и узел 
доочистки воды 5.
Рис. 1.2. Принципиальная схема улавливания и утилизации углекислого газа:
1 — источник образования углекислого газа, 2 — сорбция углекислого газа водным 
раствором, 3 — культивирование микроводорослей, 4 — выделение биомассы микроводорослей, 5 — узел доочистки воды, В — очищенная вода, ОБ — отделенная 
биомасса
Достаточно эффективным оборудованием для утилизации парниковых газов, в том числе углекислого газа и метана, являются 
экоэнергокомбайны [7]. Для оценки их эффективности следует 
рассмотреть установки, являющиеся прототипами экоэнергокомбайнов.
Например, известны метантенки на основе технологии сбраживания осадка сточных вод [9, 10]. Образуемый в них биогаз может 
использоваться для получения тепла и электроэнергии.
9

Следует отметить, что известные электрогенераторы включают 
использование метантенков с системой очистки биогаза и генераторов электрической и тепловой энергии.
Недостатком известных экоэнергокомбайнов является невысокий выход биогаза при сбраживании осадков сточных вод, 
а также отсутствие компактности размещения оборудования.
Известен экоэнергокомбайн, включающий составные части 
в виде метантенка с системой очистки биогаза и генератора электрической и тепловой энергии с блоками рекуперации электрической и тепловой энергии.
Недостатком такого экоэнергокомбайна является невысокий 
выход биогаза при сбраживании осадков сточных вод.
В этой связи актуальной задачей является разработка новой 
конструкции экоэнергокомбайна, обеспечивающего более высокий 
выход биогаза. Техническим результатом является повышение эффективности процесса сбраживания осадка с более высоким выходом биогаза.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что экоэнергокомбайн [8] включает метантенк цилиндрического типа с системой очистки биогаза и генератор с блоками 
рекуперации электрической и тепловой энергии, отличительной 
особенностью которого является то, что все составные части расположены в едином корпусе, выполненном из теплоизоляционного 
композитного материала, и наверху корпуса размещен фильтр для 
улавливания углекислого газа, а используемый метантенк выполнен 
с высотой, превышающей его диаметр соответственно от 3 до 10 
раз, причем блоки рекуперации электрической и тепловой энергии 
выполнены из диэлектрического материала.
На рисунке 1.3 изображена схема экоэнергокомбайна.
Предлагаемый экоэнергокомбайн (рис. 1.3) включает корпус 8, 
в котором внутри внизу расположен метантенк 1 цилиндрического 
типа с системой очистки биогаза 4 и с подводящим и отводящим 
осадок блоком 2, узел очистки газов (на рис. 1.3 не показан), генератор 5 с блоками рекуперации электрической 3 и тепловой 6 
энергии, выполненными из диэлектрического материала, и при 
этом наверху корпуса 8 расположен фильтр для улавливания углекислого газа 7. При этом используется метантенк цилиндрического 
типа, высота которого больше его диаметра от 3 до 10 раз, причем 
все составные части экоэнергокомбайна расположены в едином 
корпусе, выполненном из теплозащитного композитного материала.
Принцип работы предлагаемого автором экоэнергокомбайна [8] 
заключается в следующем. Исходный осадок (ИО) сточных вод подается в метантенк 1 для сбраживания. Для подогрева осадка в метантенк 1 подается теплоноситель из блока 6 рекуперации тепловой 
10