Процессы и аппараты биотехнологической очистки сточных вод

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

А.В. ЛУКАНИН

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ 
УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)»

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений,
 обучающихся по направлениям подготовки 
20.03.01 «Техносферная безопасность»,
20.03.02 «Природообустройство и водопользование»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 628.35(075.8)
ББК 20.1я73
 
Л84

Луканин А.В.
 Процессы и аппараты биотехнологической очистки сточных вод :
учебное пособие / А.В. Луканин. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 
242 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-011332-6 (print)
ISBN 978-5-16-103510-8 (online)

Систематизированы и обобщены научные данные по существующим методам биологической очистки сточных вод. Материал построен на анализе процессов, происходящих при взаимодействии 
живых организмов при усвоении органических и других загрязнений 
как между собой, так и с этими загрязнениями в пищевых цепях на 
разных трофических уровнях. Рассмотрены материалы по очистке 
сточных вод как в естественных, так и в искусственных условиях. 
Подробно описаны конструкции очистных сооружений и приведены методы инженерных расчетов.
Для студентов, аспирантов, преподавателей вузов, научных работников, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся 
и работающих в области инженерной защиты окружающей среды.

Л84

УДК 628.35(075.8) 
ББК 20.1я73

© Луканин А.В., 2016
ISBN 978-5-16-011332-6 (print)
ISBN 978-5-16-103510-8 (online)

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра биотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева;
В.А. Быхов — академик Российской академии медицинских наук и Российской 
академии сельскохозяйственных наук, д-р техн. наук, профессор

Подписано в печать 04.03.2020.
Формат 6090 1/16. Бумага офсетная.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 15,13. ППТ30. Заказ № 00000

ТК  436400-1089867-250815

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
 
     E-mail: books@infra-m.ru                 http://www.infra-m.ru

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Оглавление

Предисловие.............................................................................
Глава 1. Введение в микробиологию процесса биотехнологической очистки сточных вод.........................................

1.1. Микроорганизмы, их свойства...................................
1.2. Ферменты -  биологические катализаторы...............
1.3. Химический состав микроорганизмов, их питание,

дыхание.........................................................................

1.4. Рост и размноженйе микроорганизмов....................

1.4.1. Периодический рост культуры микроорганизмов
1.4.2. Непрерывный рост культуры микроорганизмов

1.5. Основы биологической очистки сточных вод........

Глава 2. Биофильтры...............................................................

2.1. Сущность процесса очистки.......................................
2.2. Классификация биофильтров.....................................
2.3. Биофильтры с объемной загрузкой...........................
2.4. Биофильтры с плоскостной загрузкой......................
2.5. Распределение сточных вод по биофильтрам.........
2.6. Расчёт биофильтров.....................................................

Глава 3. Аэротенки..................................................................

3.1. Технологические показатели работы аэрационной

системы.........................................................................

3.2. Технологические и гидравлические схемы очистки

сточных вод в аэротенках...........................................

3.3. Системы аэрации в аэротенках..................................
3.4. Основные конструкции аэротенков...........................
3.5. Технологический расчёт аэротенков........................

3.5.1. Аэротенки-смесители без регенераторов..........
3.5.2. Аэротенки-смесители с регенераторами...........
3.5.3. Аэротенки-вытеснители без регенераторов......
3.5.4. Аэротенки-вытеснители с регенераторами.......
3.5.5. Циркуляционно-окислительные каналы...........
3.5.6. Комбинированный окситенк................................

3.6. Расчёт систем аэрации аэротенков...........................

3.6.1. Аэротенки-смесители...........................................
3.6.2. Аэротенки-вытеснители без регенераторов.....

8
8
20

24
31
34
36
39
47
47
55
58
59 
63 
67 
81

81

86
91
97
116
116
118
119
120 
122 
124 
127 
127 
130

5

3

3.6.3. Аэротенки-вытеснители с регенераторами.......
3.6.4. Гидравлический расчет систем аэрации аэротенков.......................................................................

3.7. Удаление биогенных элементов из сточных вод...

3.7.1. Биологический метод удаления азота...............
3.7.2. Биологический метод удаления фосфора.........
3.7.3. Биологический метод удаления серы...............
3.7.4. Методы расчёта биотехнических систем удаления биогенных элементов из сточных вод.....

Глава 4. Вторичные отстойники и илоуплотнители..........

4.1 Основные закономерности осветления.....................
4.2. Классификация и конструкции вторичных отстойников..........................................................................

4.3. Расчет вторичных отстойников.................................

4.3.1. Вертикальные отстойники................................
4.3.2. Горизонтальные отстойники................................
4.3.3. Радиальные отстойники.......................................

Глава 5. Очистка сточных вод с использованием естественных методов.................................................... ..............

5.1. Основные положения и критерии для выбора метода почвенной очистки.............................................

5.2. Методы почвенной очистки сточных вод...............

5.2.1. Иловые площадки (площадки-уплотнители)....
5.2.2. Малые сооружения почвенной очистки............
5.2.3. Поля фильтрации и поля орошения...................
5.2.4. Расчёт полей фильтрации и орошения..............

5.3. Биологические пруды и гидроботанические площадки

5.3.1. Биологические пруды...........................................
5.3.2. Гидроботанические площадки............................
5.3.3. Водоросли и растения-макрофиты биопрудов

и гидроботанических площадок...........................

5.3.4. Расчёт биологических прудов.............................

Приложения.............................................................................
Список рекомендуемой литературы....................................

131
133
135
148
156

159
169
172

177
181
183
186
186

187

187
189
189
190 
193 
200 
206 
206 
213

219
226
232
241

131

4

Предисловие

Одной из самых актуальных проблем на современном этапе 
развития общества является проблема охраны природы от загрязнений и рационального использования природных ресурсов.

Загрязнение окружающей среды особенно сильно отражается на состоянии открытых водоемов. Повышение концентрации загрязнений может привести к развитию в водоемах необратимых процессов, способствующих их истощению. Поэтому 
очистка сточных вод, удовлетворяющая требованиям защиты 
водоемов от загрязнения, приобретает первостепенное значение как элемент контролируемого и управляемого воздействия 
человека на природу, рассчитанного на длительный период.

Резкое возрастание количества сточных вод создает серьезную угрозу исчерпания запасов пресной воды в густонаселенных и экономически важных районах. Поэтому особое значение имеет охрана, рациональное комплексное использование 
и воспроизводство водных ресурсов, предусматривающие защиту их от загрязнения и истощения, глубокая очистка загрязненных сточных вод на очистных станциях с последующим их 
использованием в техническом водоснабжении, а также всемерное сокращение и даже прекращение сброса промышленных сточных вод в реки.

Проблема загрязнения окружающей среды волновала человека еще 5000 лет назад. Уже в Древнем Риме воды Тибра были 
непригодны к употреблению, поэтому строили 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 многих городов Европы эта проблема стала актуальной в средние века. В 1388 г. в 
Англии был принят первый закон, направленный на охрану качества воды. В Лондоне того времени бытовые и производственные отходы вывозили и сваливали в Темзу, что привело к значительному загрязнению ее русла. Принятый закон запрещал дальнейший сброс отходов в черте города.

В Москве к концу XVIII в. были загрязнены реки Неглинная и Яуза, многие пруды, так как развитие ремесленного дела 
и строительство промышленных предприятий велось, как правило, вдоль Москвы-реки, Яузы, Сетуни, откуда легче было

5

брать воду и куда удобно было сбрасывать стоки. В то время 
население Москвы пользовалось водой из рек, прудов и колодцев, хотя уже и действовали несколько местных водопроводов 
(в Кремле, в Измайлово). В 1767 г. Екатерина II издала указ, в 
котором предписывалось запретить сброс отходов в Москву- 
реку и другие водоёмы города. В результате со второй половины XVIII столетия в Москве было начато строительство первой 
системы централизованного водоснабжения.

Сооружение туалета вне дома оставалось самым обычным 
способом избавления от человеческих экскрементов вплоть до 
конца XIX в. Стоки, попадающие оттуда в питьевую воду, вызывали заболевания, особенно в городах, где туалеты и питьевые 
колодцы находились недалеко друг от друга. С появлением туалетов со смывом, вода из которых направлялась в ливнестоки, 
канализационные отходы сбрасывались прямо в естественные 
водоемы. К концу 1870-х годов многие водоемы в наиболее промышленно развитых городах были настолько засорены мертвой 
рыбой и так неприятно пахли из-за обеднения кислородом, что 
представляли собой серьезную угрозу для здоровья людей.

Систематические поиски способов очистки сточных вод и 
строительство канализационных сетей в городах начались 
лишь с середины XIX в. В то время Луи Пастером и другими 
микробиологами было установлено, что многие инфекционные 
заболевания вызываются бактериями, присутствующими в канализационных стоках, а необработанные сточные воды, сбрасываемые в водоемы, являются переносчиками инфекций.

К началу XX в. проблемы загрязнения водоемов и очистки 
городских (бытовых и промышленных) стоков стали особенно 
важными. В России в 1884 г. было создано учреждение, осуществлявшее санитарный надзор за промышленными, торговыми и коммунальными объектами. В 1891 г. профессором Ф. 
Ф. Эрисманом была открыта в Москве первая в России санитарно-эпидемиологическая станция (СЭС). Им же были разработаны 
санитарные вопросы строительства в Москве водопровода и канализации. В 1891 и 1892 годах были проведены первые гидрохимические и гидробиологические обследования, в отчетах отмечалось загрязнение воды фабричными и бытовыми стоками.

История применения биологической очистки началась со 
строительством в XIX в. первых полей фильтрации, на которых

6

сточная вода очищалась путем фильтрования через слой почвы 
в естественном состоянии. Это позволило, в частности, использовать стоки в сельском хозяйстве.

Более совершенные устройства -  биофильтры, разработанные по принципу полей фильтрации, однако лишенные присущих им недостатков (например, огромные занимаемые площади, прекращение работы в зимний период и др.), появились в 
Англии в 1893 г., а в России -  спустя 15 лет.

Примерно в 1914 г. появился метод очистки сточных вод с 
помощью активного ила в аэротенках, который применяется и 
сейчас как основной для глубокой очистки сточных вод, причем для больших потоков в настоящее время этот метод практически единственный. В нашей стране эра развития биологической очистки сточных вод в искусственно созданных условиях была открыта в 1922 г. после докладов «Очистка сточных 
вод посредством активного ила» и «Обзор работы лаборатории 
Управления канализации г. Москвы за время с 1914 по 1922 г.», 
сделанных на двенадцатом Всероссийском водопроводном и 
санитарно-техническом съезде.

Первая в России станция аэрофильтрации (Кожуховская) 
общей производительностью 37 тыс. м3/сут. была введена в 
эксплуатацию в Москве в 1929-1933 годах. На станции была 
удачно скомбинирована очистка стоков на аэротенках, биофильтрах и биологических прудах.

На сегодняшний день во всем мире биологическая очистка 
является основным методом удаления из городских сточных 
вод большей части органических и бактериальных загрязнений. 
На основе биологического метода разработаны сотни разнообразных устройств и сооружений, в которых этот метод используется как отдельно, так и вкупе с механическими или физикохимическими способами очистки.

Настоящее учебное пособие ставит целью ознакомить читателей с теорией и практикой проектирования современных 
сооружений, которые составляют основу полной биологической очистки сточных вод: аэротенков, биофильтров, окситен- 
ков, циркуляционных окислительных каналов, нитриденитри- 
фикаторов, полей орошения и фильтрации, биологических прудов и гидроботанических площадок. Для каждого из перечисленных сооружений приведены методики расчета.

7

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В МИКРОБИОЛОГИЮ ПРОЦЕССА 
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

1.1. Микроорганизмы, их свойства

Все виды микробов носят название «протесты», или «простейшие». Микроорганизмы, принадлежащие к растительному 
миру, называют протофитами (простейшие растения), а к животному миру -  протозоями (простейшие животные).

Большинство микроорганизмов -  одноклеточные существа, 
видимые только под микроскопом. К ним относятся бактерии, 
актиномицеты, дрожжи, риккетсии и некоторые водоросли. К 
многоклеточным принадлежат нитчатые бактерии и большинство плесневых грибов, которые иногда достигают таких размеров, что бывают видимы даже невооруженным глазом. Кроме многоклеточных и одноклеточных микроорганизмов, в природе существуют живые существа бесклеточной структуры -  
ультрамикробы. Из них наиболее важное значение имеют вирусы и бактериофаги.

Бактерии

Это обширная группа мельчайших, преимущественно одноклеточных организмов. Они относятся к растительному миру. По 
внешней форме бактерии делят на три основные группы: шаровидные (кокки), палочковидные или цилиндрические (бактерии и 
бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы и спирохеты).

Бактериальная клетка состоит из клеточной оболочки, цитоплазмы, ядерного аппарата и цитоплазматических включений.

Оболочка клетки -  тонкая, отчетливо очерченная, относительно плотной структуры, толщиной от 100 до 600 А, составляет около 20 % от веса ее сухой массы.

Клеточную оболочку можно выявить с помощью специальной окраски. В неокрашенном виде она заметна только 
крупных бактериальных форм, например у железобактерий 
серобактерий. Оболочка придает клетке определенную форму, 
регулирует прохождение (внутрь) питательных элементов, вы
8

5

деление (наружу) продуктов обмена, ферментов и других веществ. Оболочка защищает клетку от воздействия внешней 
среды и выдерживает значительное внутриклеточное осмотическое давление (3.. .6 атм.).

В зависимости от особенностей химического состава оболочки все виды бактерий неодинаково относятся к одному из 
дифференциальных способов окраски, разработанному датским 
ученым Грамом. По этому способу окраски бактерии могут 
быть разделены на грамположительные -  окрашивающиеся в 
фиолетовый цвет (меньшинство видов) и грамотрицательные -  
окрашивающиеся в розовый цвет (большинство видов).

На поверхности оболочки некоторых видов микроорганизмов имеется капсула. У одних видов она представляет собой 
утолщенную оболочку, у других -  слизистый слой. Чаще всего 
капсула и клеточная оболочка -  отдельные структурные элементы. Капсульное вещество состоит из полисахаридов, глюкопротеидов или полипептидов, а у некоторых видов -  из протеинов. Капсула защищает клетку от неблагоприятного действия внешней среды (высушивания, фагоцитоза и др.). У многих видов бактерий капсула образуется при высоком содержании в питательной среде углеводов и низком -  белков.

К клеточной оболочке тесно прилегает внешний слой цитоплазмы -  цитоплазматическая мембрана (перипласт). Она обладает физическими и химическими свойствами, отличающими 
ее от остальной цитоплазмы. Толщина мембраны не превышает
50... 100 А. Она служит местом интенсивной физиологической 
активности, так как является носителем многих ферментов.

Мембрана защищает цитоплазму. Кроме того, она поддерживает постоянное внутриклеточное осмотическое давление, 
задерживает в цитоплазме питательные вещества и соли и одновременно способствует выделению продуктов обмена. Цитоплазматическая мембрана обладает избирательной проницаемостью, от которой зависит жизнь клетки. Она составляет 
свыше 10 % от веса сухой клетки и состоит из липидов, протеинов и углеводов.

Цитоплазма у бактерий представляет прозрачную водянистую или слегка вязкую однородную смесь коллоидов. В ней 
могут быть суспендированы также пигменты, запасные пита9

тельные вещества и жиры. Химический состав цитоплазмы 
представляет сложную смесь белков, углеводов, липидов, минеральных веществ, воды и других органических соединений. 
Она содержит те же аминокислоты, что и белки высших растений. В цитоплазме бактерий совершаются сложные процессы 
обмена веществ, в результате внутренняя структура клетки 
беспрерывно обновляется. Цитоплазма обладает мелкогранулярной структурой.

В цитоплазме бактериальной клетки находятся различные 
включения:

• митохондрии -  образования в виде мелких зерен, богатые рибонуклеиновой кислотой (РНК), содержащие окислительно-восстановительные ферменты;

• рибосомы -  множество мелких гранул, богатых белком и 
рибонуклеиновой кислотой. Они являются основным местом, 
где происходит биосинтез белков;

• волютин -  комплекс неорганических метафосфатов с рибонуклеиновой кислотой. Его считают запасным питательным 
веществом микробов при голодании.

Наряду с этим встречаются гранулы, содержащие гликоген, 
жир, серу, железо, из которых одна часть служит запасным питательным материалом, другая -  продуктами обмена.

Ядерный аппарат бактериальной клетки истинных бактерий рассматривается как своеобразный пузырек, расположенный в центральной части цитоплазмы, в котором находится 
ядерный аппарат бактерии -  основной носитель наследственных свойств клетки. Он контролирует обмен веществ.

Споры и спорообразование у бактерий. Спорообразование -  
это одно из свойств определенных микроорганизмов, которое 
приобретается в процессе длительной эволюции в борьбе за сохранение вида. Вегетативные клетки всех образующих споры 
бактерий имеют цилиндрическую (палочковидную) форму. В 
группе кокков спорообразование отмечается редко. У извитых 
форм его не наблюдается.

При спорообразовании клетка теряет до 60 % воды. Цитоплазма постепенно сгущается, собирается в определенном 
участке клетки и покрывается плотной оболочкой, пропитанной смолистыми и липоидными веществами.

10

Плотная оболочка, минимальное содержание воды, высокая концентрация магния и кальция в споре обеспечивают ее 
высокую устойчивость к вредным воздействиям внешней среды. Она легко переносит высокие температуры, большие концентрации химических веществ, высушивание. Споры некоторых бацилл сохраняют жизнеспособность при кипячении в течение 1...3 ч и более. Они погибают в автоклаве только при
115... 125 °С, а также под влиянием сухого жара в печи Пастера 
(150... 170 °С). В высушенном состоянии они могут сохранять 
жизнеспособность десятки лет.

Спорообразование у бацилл наступает обычно при неблагоприятных условиях существования. Это не способ размножения, так как каждая клетка образует одну спору, и число особей 
при этом не возрастает.

Основными 
факторами, 
способствующими 
спорообразованию у бактерий, являются обеднение питательной среды 
и накопление в ней ядовитых продуктов жизнедеятельности.

После формирования споры оболочка бывшей клетки разрушается, спора освобождается и начинает самостоятельное 
существование в состоянии анабиоза (покоя). Процесс возникновения спор у разных бацилл происходит в течение 4...8 ч и 
более.

В благоприятных условиях спора начинает прорастать. 
Вначале она набухает, обогащается водой, размеры ее увеличиваются почти в 2 раза. Внутри набухшей споры усиливается 
активность ферментов и происходит частичный гидролиз 
наружной оболочки. В дальнейшем оболочка разрывается и через образовавшееся отверстие проросток выходит наружу. 
Прорастание споры в зависимости от условий среды осуществляется за несколько часов (4...5), но в некоторых случаях достаточно 40.. .50 мин.

Размножение бактерий. Бактерии размножаются простым поперечным делением клетки на две части. У ряда бактерий установлено размножение отпочкованием от материнской 
клетки дочерних особей. Цилиндрические формы обычно делятся перпендикулярно их длинной оси, шаровидные -  в любом направлении.

11

В благоприятных условиях одно деление происходит через 
каждые 20...30 мин. При такой интенсивности размножения 
одна бактерия за 5 сут могла бы дать такую массу особей, которые способны заполнить собой бассейны всех морей и океанов. Однако размножение бактерий в природе ограничено различными неблагоприятными факторами внешней среды: действием солнечного света, высыханием, антагонизмом между 
различными видами, накоплением собственных продуктов обмена в среде и рядом других. На быстроту размножения бактерий влияют: питательная среда, влажность, температура, аэрация и ряд других условий.

Актиномицеты (actinomycètes)

Актиномицеты -  лучистые грибы. Это одноклеточные 
микроорганизмы, по строению сходные с бактериями. Занимают промежуточное положение между бактериями и плесневыми грибами. Одни растут в виде тонких ветвящихся нитей диаметром около 0,5...0,8 мкм, образующих мицелий, другие похожи на обычные палочковидные бактерии, чаще всего искривлены или с небольшими боковыми выростами, напоминающими ветви. Клетки состоят из оболочки, цитоплазмы и ядра. 
Все актиномицеты положительно красятся по Граму. Размножение происходит распадом мицелия на отдельные фрагменты (род proactinomyces), которые при благоприятных условиях могут дать начало новому мицелию, а также спорами (роды streptomyces и micromonospora). Актиномицеты широко 
распространены в различных типах почв, в воде, навозе и других веществах животного и растительного происхождения. Им 
принадлежит большая роль в почвообразовании. Они усиливают разложение органических веществ, разрушают клетчатку, 
участвуют в создании гумуса.

Некоторые актиномицеты (род streptomyces) вырабатывают 
вещества, токсичные для различных микроорганизмов. Эти 
вещества, называемые антибиотиками, широко используют как 
лечебные средства (стрептомицин, биомицин и др.).

12