Очистка муниципальных сточных вод c повторным использованием воды и обработанных осадков: теория и практика

Очистка 
муниципальных сточных вод 
c повторным использованием воды 
и обработанных осадков

теория и практика

Москва • 2020 • Логос

УДК 628.3
ББК 38.761
О94

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования 
и науки Российской Федерации идентификационный номер RFMEFI60714X0024

Рекомендовано к опубликованию Ученым советом Института микробиологии РАН

Авторы
Н.И. Куликов (руководитель авторского коллектива), 
А.Н. Ножевникова, Г.М. Зубов, М.Г. Зубов, Д.Н. Куликов, 
Е.Н. Куликова, Ю.В. Литти, Р.К. Мамлютов, Л.Н. Приходько

Рецензенты
Н.С. Серпокрылов, доктор технических наук, профессор кафедры водоснабжения 
и водоотведения Ростовского государственного строительного университета
Л.Н. Фесенко, доктор технических наук, профессор кафедры водного хозяйства 
предприятий и населенных мест Южно-Российского  государственного 
технического университета 

О94       Очистка муниципальных сточных вод c повторным использованием воды и обработанных осадков: теория и практика / Н.И. Куликов, 
А.Н. Ножевникова, Г.М. Зубов [и др.]; под общ. ред. Н.И. Куликова, 
А.Н. Ножевниковой. – М.: Логос, 2020. – 400 с.

ISBN 978-5-98704-802-3

Рассмотрены системы водоснабжения и водоотведения жилых массивов 
и промышленных предприятий как единое целое, где главным источником снабжения водой технического качества жилых массивов и промышленных предприятий являются очищенные сточные воды. Освещены новые концептуальные 
подходы к очистке сточных вод и подготовки выделяемых осадков в качестве 
топлива и органоминерального удобрения. Предложены способы достижения 
минимизации размеров канализационно-очистных сооружений и эксплуатационных затрат, упрощение эксплуатации и проведения пусконаладочных работ. 
Большая часть технологий и конструкций устройств и сооружений защищены 
патентами Российской Федерации.
Для ученых и специалистов в области гидрологии, водоснабжения, водоочистки и водоотведения, рекуперации сточных вод. Представляет интерес для 
экологов, специалистов по проектированию, строительству и эксплуатации объектов водоснабжения и канализации. Может использоваться в учебном процессе 
при подготовке и повышении квалификации кадров в области водоснабжения 
и водоочистки. 

УДК 628.3
ББК 38.761

ISBN 978-5-98704-802-3
© Институт микробиологии РАН 
© Авторы, указанные на обороте
     т итульного листа, 2020
© Логос, оформление, 2020

Оглавление

Введение .............................................................................................................8

1. Основные физико-химические характеристики воды ...........................9

2. Классификация примесей природных и сточных вод и методов  
 
их удаления ...................................................................................................14
2.1. Понятие о природных и сточных водах...............................................14
2.2. Примеси природных и сточных вод.....................................................15
2.3. Классификация примесей воды по их фазово-дисперсному  

состоянию ...............................................................................................16

2.4. Характеристика примесей по группам ................................................18
2.5. Выбор методов очистки воды ...............................................................20

2.5.1. Очистка воды от примесей І группы..........................................20
2.5.2. Очистка воды от примесей II группы.........................................21
2.5.3. Очистка воды от примесей III группы .......................................21
2.5.4. Очистка воды от примесей ІV группы.......................................22

2.6. Влияние устройств механической очистки сточных вод  

на работу всей цепи сооружений канализационных  
очистных станций........................................................................23

3. Теоретические основы биологической очистки воды..........................25

3.1. Микробиологические аспекты  биологической очистки воды..........25

3.1.1. Функции микроорганизмов.........................................................25
3.1.2. Морфология бактерий .................................................................25
3.1.3. Строение клеток бактерий ..........................................................27
3.1.4. Классификация и систематика бактерий ...................................31
3.1.5. Размножение и рост бактерий.....................................................34
3.1.6. Эукариотные одноклеточные и мелкие многоклеточные  

организмы.....................................................................................35

3.1.7. Трофическая (пищевая) цепь гидробионтов..............................37

3.2. Анаэробные и аэробные процессы и микроорганизмы  

при очистке сточных вод.......................................................................40
3.2.1. Типы метаболизма у микроорганизмов .....................................40
3.2.2. Аэробные процессы,  аэробное дыхание микроорганизмов....43
3.2.3. Анаэробные процессы и микроорганизмы................................47

Оглавление

3.2.4. Аэробно-анаэробное удаление азота..........................................63

3.3. Особенности кинетики биологических процессов очистки  

сточных вод сообществами прикрепленных  
и свободноплавающих микроорганизмов............................................70

3.4. Основы единичных биологических процессов...................................73

3.4.1. Кривые и фазы роста микроорганизмов....................................73
3.4.2. Фазы роста бактерий и типы биологических процессов .........75
3.4.3. Базовая формула роста клетки....................................................77
3.4.4. Рост бактерий в процессе загрузки сооружений.......................77
3.4.5. Рост и питание бактерий .............................................................78
3.4.6. Воздействие внутреннего обмена веществ на процесс  

прироста биомассы......................................................................79

3.4.7. Воздействие температуры...........................................................80
3.4.8. Кинетика биологических процессов обработки сточных  

вод .................................................................................................81

3.4.9. Влияние внешних факторов на окислительную  

мощность биомассы микроорганизмов.....................................82

3.4.10. Формирование равновесия биомассы и питания....................86
3.4.11. Концентрация микроорганизмов и питательных  

веществ в воде, выходящей из реактора....................................87

3.4.12. Единичные биологические процессы ......................................89
3.4.13. Цели биологических процессов очистки.................................90
3.4.14. Аэробные единичные процессы...............................................91

3.5. Насадка для удерживания гидробионтов в биореакторах  

и ее свойства.........................................................................................107

3.6. Соответствие окислительной мощности и окислительной  

способности в аэробных биореакторах .............................................118
3.6.1. Конструктивное оформление аэробных биореакторов  

с насадкой из полимерных ершей............................................118

3.6.2. Внесение кислорода в аэробные биореакторы........................120
3.6.3. Возможности ускорения процесса биологической  

очистки сточных вод задействованием пространственной  
сукцессии биоценозов прикрепленных микроорганизмов  
и рециркуляции очищаемой сточной воды .............................124

3.6.4. Роторный биофильтр .................................................................129

3.7. Анаэробные процессы обработки воды.............................................134

3.7.1. Классификация анаэробных биологических процессов ........134
3.7.2. Микробиология анаэробного процесса....................................136
3.7.3. Анаэробный процесс переработки...........................................137

Оглавление
5

3.8. Биологическое удаление азота и фосфора при очистке  

сточных вод...........................................................................................148
3.8.1. Удаление соединений азота.......................................................148
3.8.2. Удаление фосфора......................................................................153

3.9. Пути совершенствования систем очистки сточных вод  

и обработки выделяемых осадков на действующих и на вновь  
проектируемых канализационных очистных станциях (КОС)........155

3.10. Система переработки осадков сточных вод в плодородную почву ...170
3.11. Резерв крупных канализационных очистных станций....................172

4. Пути совершенствования систем очистки природных  
и сточных вод, обработки выделяемых осадков на действующих  
и вновь проектируемых очистных станциях............................................176

4.1. Новая концепция формирования систем водоснабжения  

и водоотведения в целом по Российской Федерации .......................176

4.2. О специфике создания систем водоснабжения и водоотведения  

на территории РФ, в Сочи и в Крыму ................................................178

4.3. Канализационная очистная станция – фабрика  

по преобразованию экологически опасных отходов населения  
в сырье для промышленности, сельского хозяйства  
и оздоровления воздушного бассейна................................................181

4.4. Концепция эффективности ведения механической предобработки  

для хозяйственно-фекальных сточных вод и предварительной 
физико-химической очистки производственных сточных вод ........185

4.5. Универсальная биотехнология комплектования  

канализационной очистной станции..................................................189

4.6. О стратегии проектирования канализационных очистных  

станций по современной биотехнологии очистки сточных  
вод и переработки выделенных осадков............................................198

4.7. Концепция очистки ливневых и дренажных вод в условиях  

Большого Сочи и Крыма .....................................................................204

4.8. Очистка иловой воды и переработка осадков на сливных  

станциях................................................................................................209

4.9. Экономичное и экологичное технологическое и техническое 

решение по реконструкции действующей канализационной   
очистной станции  на примере г. Михайловка Волгоградской  
области без прерывания ее эксплуатации и сброса неочищенных 
сточных вод в водоем рыбохозяйственного значения  
р. Медведица.........................................................................................213

Оглавление

4.10. Организация системы кормления рыбы при ее индустриальном  

выращивании в искусственных условиях..........................................217

4.11. Улучшение качества воды прибрежной полосы морей и рек  

и состояния береговой полосы, используемой для отдыха  
жителей .................................................................................................221
4.11.1. Использование плавающих биореакторов  

для водоподготовки воды рек, водохранилищ, морской  
воды к дальнейшей очистке или использованию ...................221

4.11.2. Очистка природной воды гидробионтами,  

закрепленными на волокнистых насадках ..............................222

4.11.3. Опытно-промышленные испытания биотехнологии  

очистки речной воды.................................................................224

4.12. Осадки сточных вод и биогенные элементы....................................232

4.12.1. Очистка сточных вод ...............................................................232
4.12.2. Аэробное биокомпостирование..............................................235
4.12.3. Анаэробная стабилизация осадков сточных вод  

в метантенках.............................................................................237

5. Технические решения на уровне изобретений и полезных  
моделей с задействованием ершовой насадки для удержания  
микроорганизмов и комбинированных сооружений ..............................243

5.1. Анаэробный биореактор......................................................................243
5.2. Биореактор доочистки биологически очищенных сточных вод......250
5.3. Блочно-модульная канализационная очистная станция  

закрытого типа......................................................................................256

5.4. Блочно-модульная канализационная очистная станция закрытого  

типа с процессом anammox.................................................................272

5.5. Блочно-модульная канализационная очистная станция башенного  

типа с процессом anammox.................................................................287

5.6. Комплектно-блочная канализационная очистная станция  

с анаэробной стабилизацией осадков первичных отстойников  
и обезвреживания иловой воды от обезвоживания осадков  
с процессом anammox..........................................................................304

5.7. Комплектно-блочная модульная очистная станция заводского  

изготовления с подготовкой выделенных осадков к утилизации....316

5.8. Комплектно-блочная модульная очистная установка  

заводского изготовления......................................................................329

5.9. Комплектно-блочная модульная очистная установка заводского  

изготовления с подготовкой выделяемых осадков к утилизации....341

Оглавление
7

5.10. Способ безотстойной биологической очистки бытовых  

сточных вод в комплектно-блочных модульных очистных  
станциях заводского изготовления.....................................................351

5.11. Способ биологической очистки сточных вод с удалением  

азота с помощью биоценозов с anammox ..........................................362

5.12. Способ обработки сточных вод с получением очищенной  

воды и обеззараженных отходов.........................................................375

5.13. Усреднитель-денитрификатор для комплектно-блочных  

очистных станций канализации..........................................................386

Литература .....................................................................................................392

введение

Авторы книги предлагают рассматривать системы водоснабжения и 
водоотведения жилых массивов и промышленных предприятий как единое целое, в котором очищенные сточные воды являются главным источником технической воды для снабжения водой технического качества жилых массивов и промышленных предприятий.
Канализационную очистную станцию следует считать фабрикой по 
производству сырья для сельского хозяйства, коммунального хозяйства 
жилых массивов и промышленных предприятий, объектом, обеспечивающим занятость населения, приносящим прибыль благодаря производству сырья из отходов переработки сточных вод и их осадков. 
В книге предлагаются новые концептуальные подходы к ведению 
процессов очистки сточных вод и подготовки выделяемых осадков в качестве топлива и органоминерального удобрения. На базе использования сообществ, прикрепленных на насадке, и свободноплавающих гидробионтов в аппаратах и емкостях новой конструкции и ведения интенсивного массообмена достигаются минимизация размеров канализационной очистной станции и эксплуатационных затрат, упрощение эксплуатации и проведения пусконаладочных работ. Большая часть технологий 
и конструкций устройств и сооружений защищены патентами Российской Федерации, патентообладателями которых являются Н.И. Куликов и  
ЗАО «Компания «ЭКОС» – члены авторского коллектива.
Монография имеет широкую аудиторию. Она предназначена для ученых и специалистов в области гидрологии, водоснабжения, водоочистки 
и водоотведения, рекуперации сточных вод. Нет сомнений, что многие 
из содержащихся в ней положений представляет интерес для экологов, 
специалистов по проектированию, строительству и эксплуатации объектов водоснабжения и канализации. Книга может использоваться в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации кадров в области промышленного и гражданского строительства и, разумеется, водоснабжения и водоочистки. 
Авторский коллектив будет благодарен за предложения и замечания к 
книге, которые просит направлять по электронному адресу: e_akperova@
ecos.ru.

1. ОснОвные физикО-химические  
характеристики вОды

Химически чистая вода H2O бесцветна, не имеет запаха и вкуса, в относительно толстом слое кажется окрашенной в голубоватый цвет.
Молекула воды состоит из двух одновалентных ионов водорода H+ и 
двухвалентного иона кислорода О2–, которые расположены в вершинах 
равнобедренного треугольника. Угол у вершины треугольника, занятый 
ионом кислорода, равен 104,5°, длина связи О–Н равна 0,096 нм, расстояние между ионами Н+ равно 0,15 нм, размер молекулы воды считается 
близким к 0,28 нм (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Простейшая схема молекулы воды

Рис. 1.2. Представление молекулы воды в виде тетраэдра

Рис. 1.3. Представление молекулы воды в виде диполя

О2–

0,096 нм
0,096 нм

Н+
Н+

104,5°

0,15 нм

О2–

–

104,5°
Н+

Н+

–

Н+

Н+
О2–
–

–

–

+

1. Основные физико-химические характеристики воды 

Ближе к реальности представление молекулы H2O в форме пространственной фигуры – тетраэдра с двумя положительными вершинами на 
ионах водорода Н+ и двумя отрицательными вершинами на вытянутых 
электронных орбитах иона кислорода (рис. 1.2). Иногда упрощенно молекулы воды изображают в виде диполя (рис. 1.3), поскольку центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
Особенностью молекул воды являются способность соединяться между собой в многозвенные ассоциаты за счет образования водородных связей (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема образования водородных связей между молекулами воды

Поскольку у молекулы имеются как бы четыре полюса электрических 
зарядов, то каждая молекула связывается с четырьмя другими молекулами, располагающимися также в вершинах тетраэдра (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Пространственный ассоциат в виде тетраэдра из молекул воды

Эти пятизвенные тетраэдры частично соединяются между собой, образуя более сложные пространственные структуры. Ассоциаты не явля
Н
Н
Н
Н

Н
Н
Н
Н
О
О
О
О
0,096 нм 0,18 нм

0,18 нм

О

О

О

О

О

H
H

H

H
H

H
H

H

H
H

1. Основные физико-химические характеристики воды 
11

ются устойчивыми постоянными пространственными элементами структуры воды. Вследствие теплового движения ориентация молекул изменяется, что приводит к распаду существующих ассоциатов и образованию новых. Продолжительность жизни ассоциатов предполагается близкой к 10–12–10–11 секунд. Столь быстрое установление и разрушение пространственных упорядоченных элементов делает структуру воды исключительно изменчивой («мерцающей»), а упорядочение носит статистический характер. 
Степень ассоциированности зависит от температуры воды. Полностью все молекулы ассоциированы между собой в единую жесткую 
пространственную структуру только во льду, причем при температуре  
ниже –183 °С. При более высокой температуре часть водородных связей 
разрушается; считается, что вблизи температуры плавления (0 °С) разрушаются 9–16% общего количества водородных связей, а при 40 °С – примерно половина. При переходе в газообразное состояние (в пар) разрушаются практически все водородные связи, очень небольшая часть молекул воды соединена в двойные агрегаты (дигидроли). Изменение степени ассоциированности оказывает столь заметное влияние на свойства 
воды, что, по мнению некоторых специалистов, воду при 25–75 °С и воду 
вблизи 0 °С можно рассматривать как два различных по своей природе 
растворителя. Жидкую воду можно представить состоящей из областей 
двух видов – «льдоподобных» с ассоциированными молекулами и «плотноупакованных» со свободными отдельными молекулами. Такие области, включающие 102–103 молекул, постоянно разрушаются и вновь возникают. 
Энергия водородных связей составляет около 18,9 кДж/моль  
(4,5 ккал/моль), она значительно меньше энергии химической связи, составляющей более 100 кДж/моль. В то же время эта энергия превышает энергию вандервальсовых сил (9,6 кДж/моль) и энергию теплового 
движения молекул (около 2,5 кДж/моль при 27 °С). Энергия образования 
молекул воды из водорода и кислорода представляет собой достаточно 
большую величину – 242 кДж/моль, что обусловливает высокую устойчивость молекул. Вода не изменяется под действием большинства соединений, которые растворяет, и считается инертным растворителем.
Вода имеет большую диэлектрическую проницаемость, кроме того ее 
молекулы представляют собой диполи, поэтому вода обладает высокой 
растворяющей способностью по отношению к полярным соединениям 
из-за снижения межатомных и межмолекулярных сил. Ионы растворен

1. Основные физико-химические характеристики воды 

ных веществ размещаются в структуре воды или в ее полостях либо замещая молекулы Н2О. В любом случае они вызывают изменение структуры воды: во-первых, из-за несовпадения размеров иона и молекулы H2O, 
во-вторых, из-за изменения ориентации молекул Н2О вследствие влияния иона. Крупные слабозаряженные ионы разрушают структуру воды. 
Небольшие высокозаряженные ионы способствуют структурообразованию в воде, правда, эти структуры могут отличаться от характерной для 
воды льдоподобной структуры. Однако все эти эффекты справедливы до 
температуры 40–50 °С, при более высокой температуре все ионы способствуют упрочнению структуры воды. 
Эффект разрушения – упрочнения структуры сказывается на таких 
параметрах, как вязкость, диффузия и, соответственно, зависящих от них 
явлений очистки воды (коагуляция, осаждение и т.д.). 
Образование структур из дипольных молекул воды вокруг ионов растворимых веществ или других заряженных частиц носит название гидратации. Чем выше заряд иона и чем меньше его размеры, тем сильнее он 
гидратируется, тем большее количество молекул воды входит в гидратную оболочку иона. Катионы, как правило, гидратируются сильнее, чем 
анионы. 
Образование водородных связей и структурирование обусловливают многие исключительные свойства воды, отличающие ее от водородных соединений соседних элементов (аномалии воды). Ниже приводятся 
основные параметры воды. 

• Диэлектрическая проницаемость E (при 20 °С)
81
• Электрический дипольный момент
1,84 дебая
• Удельная электропроводность обессоленной воды
~4·10-8ом–1см–1

• Плотность при 0 °С
0,9998 кг/дм3 

• Эбуллиоскопическая константа (повышение 

температуры кипения при растворении 1 моля вещества  
в 1000 г воды)
0,52 °С
• Криоскопическая константа (снижение температуры 

плавления при растворении 1 моля вещества в 1000 г воды) 1,86 °С
• Температура плавления (замерзания)
0 °С
• Температура кипения
100 °С
• Теплота плавления
335 кДж/кг (80 ккал/кг)
• Теплота испарения
2263 кДж/кг (539 ккал/кг)
• Удельная теплоемкость
4,19 кДж/кг (1 ккал/кг)

1. Основные физико-химические характеристики воды 
13

• Кинематическая вязкость при t = 0 °С
1,79 сСт

при 20 °С
1,01 сСт

при 40 °С
0,66 сСт
• Поверхностное натяжениепри 20 °С
0,07275 н/м
• Критические константы:

– температура, выше которой вода не может быть  
   сжижена путем изотермического сжатия
374 °С

– давление
218,5 атм

– плотность
0,324 кг/дм3

• Давление пара при температуре:

0 °С
4,6 мм рт. ст.

20 °С
17,5 мм рт. ст.

40 °С
55,1 мм рт. ст.

100 °С
760 мм рт. ст. (1 атм)

120 °С
1,96 атм

150 °С
4,70 атм

2. классификация примесей  
прирОдных и стОчных вОд  
и метОдОв их удаления

2.1. понятие о природных и сточных водах

Существование воды в абсолютно чистом виде немыслимо из-за ее 
высокой растворяющей способности. Природные и сточные воды представляют собой сложную динамическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества в истинно растворенном или нерастворимом состояниях. 
Природные воды – это воды гидросферы Земли, возникшие естественным путем. Они делятся на два больших класса: поверхностные и подземные (можно еще выделить атмосферные воды, но их прямое использование экзотично). Поверхностные воды находятся в реках, озерах, водохранилищах, болотах и морях, а также в каналах. Подземные воды содержатся в порах грунтов и горных пород.
Сточные воды по происхождению можно разделить на четыре класса: 
хозяйственно-бытовые (фекальные), ливневые, сельскохозяйственные и 
производственные (промышленные).
Хозбытовые стоки образуются при смешивании водопроводной воды 
с бытовыми и физиологическими отходами в санитарных приборах и содержат в основном органические примеси.
Ливневые стоки представляют собой смесь атмосферных осадков с 
загрязнениями, смытыми с поверхностей застроенных и незастроенных 
территорий (взвеси, нефтепродукты и т.п.).
К сельскохозяйственным сточным водам, кроме стоков животноводства, близких по составу к хозфекальным, но только более концентрированным, относят также возвратные и дренажные воды, образующиеся при орошении и содержащие зачастую ядохимикаты и минеральные 
удобрения.
Промышленные стоки многообразны, как и отрасли материального 
производства, использующие воду для различных нужд.

2.2. Примеси природных и сточных вод
15

2.2. примеси природных и сточных вод

Многообразие примесей в воде затрудняет их классификацию. До 
недавнего времени примеси систематизировали по следующим приз- 
накам:
1. По своей природе примеси воды делятся на минеральные, органические и биологические. 
К минеральным относят частицы песка, глины, руд, шлаков, минеральные масла, соли, кислоты, основания и т.д. 
Органические загрязнения бывают растительного, животного и искусственного происхождения. Растительные – это остатки растений, водорослей, продукты их разложения и т.п. К загрязнениям животного происхождения относятся физиологические выделения человека и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества и т.п. Искусственное 
происхождение имеют органические примеси, образующиеся, например, 
из продукции предприятий органической химии, пищевой промышленности и многих других видов производств. 
Биологические микробные примеси представлены микроорганизмами, к которым относят микроскопические водоросли и грибы, бактерии 
и вирусы, часто называемые микрофлорой. К микрофауне относят инфузорий, жгутиковых, червей, рачков. 
2. По степени растворимости примеси делятся на нерастворимые 
и растворимые. Нерастворимые называются также взвешенными, к ним 
относятся частицы песка, глины, ила. Растворимые примеси могут быть 
в виде коллоидов (занимают промежуточное положение между взвешенными и растворенными веществами) или истинно растворимых молекул 
и ионов.
3. По фазовому состоянию примеси могут быть твердыми (например, 
глинистые частицы, водоросли), жидкими (эмульсии, нефтепродукты, 
жиры), газообразными (газы в нерастворенном состоянии).
Можно также классифицировать примеси воды по их происхождению 
(природные и искусственные), по плотности относительно воды (плавающие, тонущие и зависающие), другим признакам.
Особый вид загрязнений представляет тепловое, характеризуемое повышенной температурой после отвода воды от охлажденного оборудования. Повышенную температуру имеют также природные термальные 
воды (до 50 °С и выше).