Химические и физико-химические способы очистки сточных и техногенных вод

ХИМИЧЕСКИЕ  

И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ 

СПОСОБЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ 

И ТЕХНОГЕННЫХ ВОД

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва 
ИНФРА-М 
2023

МОНОГРАФИЯ

Р е ц е н з е н т ы:
А.В. Луканин, доктор технических наук, профессор, профессор Российского 
государственного университета дружбы народов;
Е.Н. Пирогов, кандидат технических наук, доцент, доцент Российского университета 
транспорта

УДК 628.3(075.4)
ББК 38.761.204
 
К86

ISBN 978-5-16-017605-5 (print)
ISBN 978-5-16-110158-2 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2022

Ксенофонтов Б.С.

К86  
Химические и физико-химические способы очистки сточных и техногенных 
вод : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 
2023. — 321 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1863094.

ISBN 978-5-16-017605-5 (print)
ISBN 978-5-16-110158-2 (online)
В монографии рассматриваются вопросы, относящиеся к химическим и физико-
химическим способам очистки сточных и техногенных вод, в том числе 
окисления и сорбции загрязнений, а также их коагуляции и флокуляции и другим 
процессам обработки сточных и техногенных вод. При этом отдельные задачи 
впервые рассматриваются как в отечественной, так и в мировой практике 
водоочистки. В первую очередь это относится к использованию сильных окислителей 
в практике очистки воды, а также нейтрализующих веществ. Кроме 
того, рассматриваются вопросы интенсификации химических реакций, проис-
ходящих при обработке сточных вод с использованием различных реагентов. 
При этом в качестве интенсифицирующего воздействия рассматривается об-
работка воды с использованием ультрафиолета, электромагнитных полей и т.п. 
В результате комплексного воздействия на обрабатываемую воду достигается 
высокий технологический эффект очистки.

Для широкого круга читателей, в том числе научных сотрудников, препода-

вателей вузов, аспирантов, магистров, бакалавров и студентов старших курсов.

УДК 628.3(075.4)  
ББК 38.761.204

Введение

Очистка сточных вод остается одной из самых актуальных 

проблем в ХХI столетии. В связи со сложностями экологической 
обстановки в мире постоянно пересматриваются требования к ка-
честву очищенных сточных вод, сбрасываемых в открытые источ-
ники.

В настоящее время в РФ осуществляются как мероприятия, 

ужесточающие требования к качеству сточных вод, сбрасываемых 
в городскую канализацию (постановления Правительства РФ 
от 29.07.2013 № 644 и от 22.05.2020 № 728), так и либерали-
зация требований к качеству очищенных сточных вод, сбрасы-
ваемых в открытые водоемы. С 01.01.2019 вступил в действие 
Федеральный закон от 21.07.2014 № 219-ФЗ «О внесении из-
менений в Федеральный закон “Об охране окружающей среды” 
и отдельные законодательные акты РФ» о переходе канализа-
ционных очистных сооружений производительностью свыше 
20 тыс. м3/сут (I категория природопользователей) на нормиро-
вание по комплексным экологическим разрешениям, т.е. по тех-
нологическим нормативам наилучших доступных технологий 
в соответствии с Информационно-техническим справочником 
по НДТ (ИТС 10–2015 «Очистка сточных вод с использованием 
централизованных систем водоотведения поселений, городских 
округов»). Для природопользователей с очистными сооруже-
ниями производительностью ниже 20 тыс. м3/сут (II категория) 
предусматривается право перехода на технологическое нормиро-
вание по НДТ.

Критический анализ эксплуатации очистных сооружений го-
родских сточных вод показывает, что современные технологии 
[1–110], обеспечивающие удаление азота и фосфора, применяются 
на небольшом количестве объектов РФ, не превышающем 10%. Из-
вестно, что при переходе на технологическое нормирование перед 
многими водоканалами встанет вопрос об эффективности подобных 
мероприятий для обеспечения достижения нормативов. Следует 
отметить, что водоканалы получили большие возможности повы-
шения требований к сточным водам, сбрасываемым в канализацию 
(постановление Правительства РФ от 22.05.2020 № 728). Особенно 
ужесточение требований касается сложных органических веществ, 
особенно полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), 
в том числе бензапирена, дибутилфталата и других загрязнений.

Удаление ПАУ сточных вод является современной актуальной 
проблемой. Многими разработчиками показано, что адаптиро-
ванные бактериоценозы способны утилизировать до безопасных 
соединений нефть и нефтепродукты, ПАУ — нафталин, фенантрен, 
бифенил, фенол и его производные, цианиды. Эффективность ис-
пользования традиционных очистных сооружений для удаления ор-
ганических поллютантов напрямую связана с возможностью адап-
тации сообщества активного ила. На сооружениях биологической 
очистки происходит автоселекция бактериоценоза под влиянием 
поступающих стоков. Адаптация микробных ценозов к органи-
ческим поллютантам может происходить в течение длительного 
времени. Так, время адаптации к разным концентрациям фенола 
бактериоценоза активного ила очистных сооружений, на которые 
поступали фенолсодержащие промышленные отходы, составило 
не менее 40 суток. Вопрос изменения структуры бактериального со-
общества в процессе разложения ксенобиотиков становится важной 
научной проблемой, так как позволяет оценить функционирование 
сообщества как единой системы.
Следует отметить, что, хотя принципиально сложные органи-

ческие вещества в ряде случаев и могут быть окислены биохими-
ческим путем, однако в настоящее время требования к качеству 
сточных вод, сбрасываемых в канализацию, ужесточаются и в этой 
связи достижение нормативных требований в этом случае бывает 
затруднительно. Это приводит к необходимости использования 
новых технологий, преимущественно физико-химического направ-
ления.

Глава 1.  
ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ  
И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ  
СТОЧНЫХ ВОД

Основными методами химической очистки сточных вод яв-

ляются 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 окисли-
телей. Такой способ начинает получать все более широкое исполь-
зование.
В обычной практике сточные воды, содержащие минеральные 

кислоты или щелочи, перед сбросом в системы канализации 
или в открытые водоемы нейтрализуют.

В практике обработки сточных вод для нейтрализации исполь-

зуют различные щелочные реагенты. При этом в случае нейтрали-
зации сточных вод, содержащих серную кислоту, могут происхо-
дить следующие реакции:

В случае обработки сточных вод хлором образуются соляная 

и хлорноватистая кислоты:

В процессе обработки сточных вод нефтехимических произ-
водств возможно протекание реакций типа:

Важно отметить, что скорости этих реакций повышаются с воз-

растанием температуры и давления.

Следует особо отметить использование кислорода воздуха 

при обработке воды в процессе обезжелезивания.

Весьма показательным примером может служить процесс раз-
рушения сульфидных соединений диоксидом углерода, присутст-
вующим в дымовых газах:

При этом образующийся сероводород направляется на сжи-

гание, а в случае применения диоксида углерода он может служить 
сырьем для получения серной кислоты.

При окислении сероводорода озоном на первой стадии на-

блюдается выделение серы, а на второй — происходит окисление 
до H2SO4:

Следует особо отметить, что реакции протекают одновременно, 

но при избытке озона преобладает вторая.

В случае окисления цианидов происходят следующие реакции:

Механизм действия озона в процессах окисления может происхо-

дить в трех различных направлениях: непосредственное окисление 

с участием одного атома кислорода; присоединение 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.

Хорошо также известно, что непрямое окисление — это окисление 
радикалами, образующимися в результате перехода озона 
из газовой фазы в жидкость и его саморазложения.

Следует отметить, что озонолиз представляет собой процесс 

фиксации озона на двойной или тройной углеродной связи с последующим 
ее разрывом и образованием озонидов, которые, как 
и озон, являются нестойкими соединениями и быстро разлагаются.

Интенсификация процесса очистки сточных вод заметно повышается 
при совместном использовании ультразвука и озона, ультрафиолетового 
облучения и озона.

Эффективным способом является электрохимическое окисление, 
хотя оно и не получило сколь-нибудь широкого распространения. 
Хорошо известно, что электрохимические методы основаны 
на электролизе 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 достаточно небольших расходах сточных вод (порядка 
5–10 м 3/ч). Эффективность электрохимического окисления 
представлена в табл. 1.1 на примере электролизной обработки 
отработанной культуральной жидкости производства кормовых 
дрожжей при плотности тока 20 мА/см 2 в виде зависимости химического 
потребления кислорода (ХПК, мг/л) от времени электро-
обработки t (мин).

Таблица 1.1

Зависимость ХПК от времени электрообработки отработанной 
культуральной жидкости производства кормовых дрожжей  

(плотность тока 20 мА/см 2)

ХПК, мг/л
1468
1369
1247
1126
1024
879
742
652

t, мин
0
5
10
15
20
25
30
35

Анализ экспериментальных данных, представленных в табл. 1.1, 

показывает, что при электрообработке отработанной культуральной 

жидкости производства кормовых дрожжей при плотности тока 20 
мА/см 2 ХПК очищаемой жидкости снижается примерно в 2 раза 
в течение 35 минут, что подтверждает высокую эффективность ис-
пользования электрохимического окисления. Хотя следует отме-
тить, что время обработки в течение 35 минут является достаточно 
длительным.

Обычно в качестве анода используют электролитически нерас-
творимые материалы (уголь, графит, магнетит, диоксиды свинца, 
магния, рутения), нанесенные на титановую основу, в качестве ка-
тода — свинец, цинк и легированную сталь. Для предотвращения 
смешения продуктов электролиза, особенно водорода и кислорода, 
которые могут образовать взрывоопасные смеси, используют кера-
мические, полиэтиленовые, асбестовые и стеклянные диафрагмы.

Известно, что для 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 вы-
делением на аноде атомов хлора:

Известны также способы и радиационного окисления. При дей-

ствии излучений высоких энергий на водные среды, содержащие 
различные органические вещества, возникает большое число оки-
слительных частиц, обусловливающих процессы окисления. Ра-
диационно-химические превращения протекают за счет реакции 
этих веществ-загрязнителей с продуктами радиолиза воды: ОН–, 
НO2– в присутствии кислорода, Н2O2, Н+ и егидр (гидратиро-
ванный электрон). В этих случаях в качестве источников излу-
чения могут быть использованы радиоактивные кобальт и цезий, 
тепловыделяющие элемен ты, радиационные контуры, ускорители 
электронов.

1.1. ОБРАБОТКА ВОДЫ КОАГУЛЯНТАМИ И ФЛОКУЛЯНТАМИ

1.1.1. Основы процесса коагуляции и флокуляции

Известно, что метод обработки воды, направленный на уда-

ление веществ, находящихся в коллоидном состоянии, с помощью 
химических реагентов, называется коагулированием. Применяю-
щиеся для этой цели химические вещества называются коагулян-

тами. Коагулирование воды применяется для осветления мутных 
и обесцвечивания цветных вод. Наряду с коллоидными примесями 
при коагулировании удаляются из воды грубодисперсные частицы, 
а также планктон, бактерии и вирусы. Для очистки воды применя-
ются следующие коагулянты: сульфат алюминия Al2 (SO4)3 · 18H2O,  
сульфат железа (II) FeSO4 · 7H2O (железный купорос), хлорид же-
леза (III) FeCl3 · 6H2O, гидроксохлорид алюминия Al2 (OH)5Cl, ме-
таалюминат натрия NaAlO2.
Основным фактором, обусловливающим скорость коагулиро-
вания воды, является стадия хлопьеобразования. Укрупнившиеся 
хлопья оседают под действием силы тяжести, увлекая за собой взве-
шенные частицы. Чем быстрее растут хлопья, чем больше их масса 
и размер, тем интенсивнее идет процесс седиментации, тем выше 
степень осветления воды.

При обесцвечивании воды, когда удаляются из воды гуму-
совые соединения, имеющие свойства гидрофильных коллоидов, 
основная роль отводится специфической адсорбции многоза-
рядных катионов алюминия поверхностью сложных высокомо-
лекулярных гумусовых кислот. В результате образуются труд-
норастворимые комплексы алюминия. Коагуляция гумусовых 
соединений алюминиевым коагулянтом является необратимой. 
Оптимальные значения pH обрабатываемой воды при обесцве-
чивании 4,5–5,5. Процесс коагуляции идет достаточно быстро, 
необходимо энергичное перемешивание воды после поступления 
коагулянта. На процесс коагуляции влияет также температура об-
рабатываемой воды. При понижении температуры уменьшается 
скорость теплового движения и число эффективных столкновений 
коллоидных частиц уменьшается, по это му устойчивость системы 
повышается.

Количество введенного в воду коагулянта называется дозой ко-
агулянта. Минимальная концентрация коагулянта, отвечающая на-
илучшему осветлению или обесцвечиванию воды, называется опти-
мальной дозой. Она определяется опытным путем и зависит от со-
левого состава, жесткости, щелочности воды и др. Оптимальной 
дозой коагулянта считается то его минимальное количество, ко-
торое при пробном коагулировании дает крупные хлопья и макси-
мальную прозрачность воды через 15–30 мин. Для сульфата алю-
миния эта концентрация примерно составляет от 20–100 мг/л.

Коагуляция коллоидных частиц гидроксидов металлов проис-

ходит под влиянием анионов, находящихся в воде, по это му мягкие 
воды (во время паводка) обладают плохой коагулируемостью. Ко-
агуляция примесей в мягких водах под действием сульфата алю-

миния происходит лучше при pH 5,7–6,6, в водах средней жест-
кости — при pH 6,6–7,2, жестких — при pH 7,2–7,6. Если требуется 
снизить цветность воды, то в качестве коагулянта применяется 
сульфат алюминия. Доза коагулянта для обесцвечивания воды 
определяется ориентировочно по формуле

 
Д = 4 Ц,

где Д — доза сульфата алюминия в расчете на безводную соль, мг/л; 
Ц — цветность воды по платино-кобальтовой шкале, град.

Процесс коагулирования воды не отличается постоянством 

параметров работы очистных сооружений из-за непрерывного изменения 
таких показателей качества воды, как температура, химический 
состав, концентрация примесей, степень их дисперсности. 
Для интенсификации очистки воды методом коагулирования применяются 
дополнительные реагенты-флокулянты, позволяющие 
ускорять процессы хлопьеобразования и осаждения. Использование 
флокулянтов способствует образованию прочных, быстро 
оседающих хлопьев, что позволяет ускорить процесс обработки 
воды.
Для очистки воды используются следующие классы флокулянтов: 
1) неорганические (активированная кремниевая кислота); 
2) органические высокомоле кулярные соединения (ВМС), полученные 
переработкой природных продуктов [альгинат натрия, 
крахмал, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)]; 3) синтетические высокомолекулярные 
соединения (полиакриламид, полиэтиленимин, 
праестол и др.). В водных раство рах такие высокомолекулярные 
флокулянты, как крахмал, полиоксиэтилен, эфиры целлюлозы, 
находятся в недиссоциированном состоянии. Флокулянты типа 
ВА-2, ВА-202, ВА-212, полиэтиленимин дают активный катион 
(поликатион). Некоторые флокулянты проявляют свойства ам-
фолитов. К их числу относится гидролизованный полиакриламид. 
Механизм действия флокулянтов основан на адсорбции макромолекул 
флокулянта скоагулировавшими или взвешенными частицами.


Наиболее часто применяемые для очистки воды реагенты (сернокислый 
алюминий, известь, полиакриламид, праестол) представляют 
собой твердые или желеобразные вещества. Перед введением 
в воду их растворяют в специальных баках, из которых через дозаторы 
подают в смесители. Для ускорения процесса растворения 
используют механические мешалки или перемешивают сжатым 
воздухом.