Инженерная экология: процессы и аппараты очистки сточных вод и переработки осадков

ИНЖЕНЕРНАЯ 
ЭКОЛОГИЯ

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ОЧИСТКИ 
СТОЧНЫХ ВОД И ПЕРЕРАБОТКИ ОСАДКОВ

А. B. ЛУКАНИН

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 
20.03.01 «Техносферная безопасность», 
05.03.06 «Экология и природопользование», 
19.03.01 «Биотехнология»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 628.33 / .35:628.46 /. 47
ББК 20.1:30
 
Л84

Луканин А. B.
Инженерная экология: процессы и аппараты очистки сточных вод 
и переработки осадков : учебное пособие / А. В. Луканин. — Москва : 
ИНФРА-М, 2021. — 605 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — 
(Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737 / 22139.

ISBN 978-5-16-012132-1 (print)
ISBN 978-5-16-104926-6 (online)
В книге дано описание состава и свойств сточных вод, показаны основные способы очистки сточных вод, основные приемы обработки осадков, 
а также аппаратурное оформление этих процессов.
Рассмотрены методы, процессы и аппараты механической и биологической очистки сточных вод, а также переработки и утилизации их осадка, 
приведены методы расчетов соответствующего оборудования.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Издание предназначено для студентов направлений «Техносферная 
безопасность» (20.03.01, 20.04.01), «Экология и природопользование» 
(05.03.06, 05.04.06), а также «Промышленная экология и биотехнологии» 
(19.00.00). Также пособие будет полезно специалистам, работающим в области инженерной защиты окружающей среды.

УДК 628.33 / .35:628.46 / .47
ББК 20.1:30

Л84

А в т о р:
Луканин Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор 
кафедры общей, фармацевтической и биомедицинской технологии 
Российского университета дружбы народов

Р е ц е н з е н т ы:
Ксенофонтов Б. С., доктор технических наук, профессор, руководитель отдела Научно-исследовательского института энергетического машиностроения Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана;
Градова Н. Б., доктор биологических наук, профессор кафедры биотехнологии Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева

ISBN 978-5-16-012132-1 (print)
ISBN 978-5-16-104926-6 (online)
© Луканин А. В., 2017

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Введение

Одной из самых актуальных проблем на современном этапе раз
вития 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 приобретает первостепенное значение как элемент контролируемого и управляемого воздействия человека на природу.

Резкое возрастание количества сточных вод создает серьезную 

угрозу исчерпания запасов пресной воды в густонаселенных и экономически важных районах. Поэтому важны охрана и рациональное использование водных ресурсов, предусматривающие их защиту от загрязнения и истощения, глубокая очистка загрязненных 
сточных вод на очистных станциях с их последующим использованием в техническом водоснабжении, а также сокращение и даже 
прекращение сброса промышленных сточных вод в реки.

С появлением туалетов со смывом, вода из которых направля
лась в ливнестоки, канализационные отходы стали попадать прямо 
в естественные водоемы. К концу 1870-х гг. многие водоемы в промышленно развитых городах были настолько засорены мертвой рыбой и так неприятно пахли из-за обеднения кислородом, что стали 
представлять собой серьезную угрозу для здоровья людей [15].

К началу XX в. проблемы загрязнения водоемов и очистки го
родских (бытовых и промышленных) стоков стали особенно важными. История применения биологической очистки началась 
со строительства в XIX в. первых полей фильтрации, на которых 
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 по
мощью 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 [15].

Первая в России станция аэрофильтрации (Кожуховская) общей 

производительностью 37 тыс. м3 / сут была введена в эксплуатацию 
в Москве в 1929—1933 гг. 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 физико-химическими 
способами очистки.

Рост количества твердых отходов, достигший в промышленно 

развитых странах нескольких сотен кг в год на человека, привел 
к развитию методов переработки твердых отходов. По мере развития земледелия и роста городов, изъятия из недр полезных руд 
и минералов, сведения лесов, распашки полей, строительства дамб 
и каналов, роста количества загрязнений трансформация почвы 
становилась все более интенсивной, снижалось плодородие, нарушались естественные процессы самоочищения почв. В результате 
в Европе уже к началу XX в. леса и почвы в основном уже были 
«окультурены». Это привело к развитию методов восстановления 
поверхностного слоя и свойств почв (рекультивации, реабилитации, 
мелиорации).

Рост объемов потребляемого органического топлива, появление 

железных дорог, автомобильного транспорта, развитие промышленности привели к выделению в атмосферу большого количества 
вредных выбросов: газов (прежде всего оксидов серы и азота, монооксида углерода) и твердых частиц (сажи, пыли). К середине XX в. 
загрязнение атмосферы этими вредными примесями в крупнейших 
промышленных городах достигло критического предела, что стимулировало развитие методов очистки газов и газовоздушных выбросов,
в том числе биологической очистки.

С развитием промышленности и сельского хозяйства, ростом 

городов стала очевидна необходимость принятия мер для улучшения среды обитания человека. К концу XIX в. состояние науки 
и инженерного дела позволило вплотную заняться проблемами 
утилизации загрязнений и отходов. В наибольшей степени внимание уделялось развитию городского коммунального хозяйства 
и очистке сточных вод.

Среди других методов биологической обработки, которые стали 

интенсивно развиваться с начала XX в., можно назвать методы 
анаэробного сбраживания сточных вод, осадков и твердых отходов, 
а также метод компостирования органических осадков и твердых 
отходов, который, хотя и использовался фермерами и садоводами 
с давних времен, в промышленных масштабах начал использоваться только в 1925 г. (в Индии). Дешевый компост стали также 
применять в промышленных системах для устранения запахов 
из воздуха и отработанных газов. Однако низкая производительность и короткое время жизни таких фильтров побудили к развитию более совершенных методов. Для очистки бытового газа были 
созданы фильтры, которые оказались очень эффективными, хотя 
в то время причины их действия не были известны.

Масштабными стали случаи загрязнения экосистем нефтью. 

В Российской Федерации ежегодные прямые проливы только 
нефти (без учета попадания в окружающую среду нефтепродуктов) 
оцениваются в 1—2 млн т.

В последние десятилетия серьезной проблемой в промышленно 

развитых странах стало увеличивающееся загрязнение почв и донных осадков. В течение долгого времени складирование отходов 
в почве рассматривалось как безопасный прием, поскольку попавшие в нее загрязнения могут разлагаться за счет естественных 
процессов. Однако продолжающийся рост загрязнения атмосферы, 
морей и океанов, поверхностных вод и подповерхностных пористых сред (почв, водоносных горизонтов) приводит к увеличению 
объемов и уровня накопления вредных веществ в различных почвенных средах и, как следствие, в продуктах сельского хозяйства, 
что придает новое содержание проблеме улучшения качества почв, 
повышения их плодородия, стоящей перед человеком со времен 
возникновения земледелия.

Обезвреживание и нейтрализация опасных соединений в по
чвах и других природных средах составляет суть процессов ремедиации — направления научной и практической деятельности, 
ориентированной на восстановление качества загрязненных почв, 
ландшафтов, наземных экосистем. Конечная цель ремедиации — 
полное удаление загрязнений и восстановление мультифункциональности почв.

Рост практической потребности в экономичных, эффективных, 

экологически чистых и безопасных методах очистки природных 
сред стимулировал развитие биологических методов и использование биотехнологий, основанных на способности живых организмов 
концентрировать и разлагать загрязнения.

В настоящее время в индустриально развитых странах биоло
гические методы все более активно используются для решения 
проблем очистки загрязненных сред и восстановления нарушенных экосистем. Найдены, селекционированы или созданы генноинженерными методами микроорганизмы, способные эффективно 
разлагать многие загрязнения, которые раньше считались устойчивыми к биодеградации; разработаны биологические тест-системы, способные селективно и оперативно определять загрязнения 
природных сред в различных концентрациях, вплоть до следовых 
количеств; достижения инженерной мысли позволили создать высокопроизводительные биореакторы, действенные и селективные 
методы разделения; активно разрабатываются технологии применения генетически модифицированных бактерий в деградации 
опасных веществ в биореакторах.

Среди примеров относительно новых направлений исследова
ний: очистка почв от тяжелых металлов растениями-концентраторами (фиторемедиация); удаление загрязнений из воды с помощью 
водорослей, бактерий, грибов и биосорбентов, созданных на их основе; очистка природных сред от загрязнений с помощью специфических биопрепаратов и др.

В области водоочистки и водоподготовки важное внима
ние уделяется проблемам обеспечения качества питьевой воды. 
Биологические методы эффективны при глубокой очистке воды, 
удалении избытка биогенных элементов, таких как азот и фосфор, 
для предотвращения эвтрофикации водоемов.

В области переработки, утилизации твердых, жидких, газооб
разных отходов применяются способы их микробиологической 
трансформации в полезные продукты: силосование и компостирование, переработка и обезвреживание активного ила, осадков 
сточных вод и донных осадков различными методами, вермикультивирование и вермикомпостирование (с использованием дождевых 
червей), ферментация и биокатализ [15].

На основе иммобилизованных ферментов и микробных клеток 

разрабатываются биокатализаторы для очистки и дезодорации отработанных газовоздушных потоков от вредных и дурнопахнущих веществ (спиртов, меркаптанов, альдегидов, кетонов, органических 
кислот и др.), проводятся работы по созданию биореакторов для 
очистки воздуха. Биотехнологические методы могут быть использованы и для уменьшения поступления метана, оксидов серы и азота 
в атмосферу.

Биоинженерные технологии все шире применяются для рекуль
тивации, диверсификации почв, реабилитации территорий, благо

устройства ландшафтов, защиты строительных конструкций и инженерных сооружений, озеленения территорий, защиты от эрозии 
почв, береговых линий, борьбы с почвенным засолением и закислением, сохранения и восстановления малых рек и т.п. [15].

Большое внимание уделяется биомониторингу и биотестирова
нию: использованию тест-систем для контроля очистки сточных 
вод, контроля загрязнения воздуха, почвы. Разработаны биологические тест-системы, позволяющие быстро и селективно определять 
качество и количество загрязнений в природных средах, вплоть 
до следовых количеств.

Важная прикладная задача — получение биодеградируемых пла
стиков. Биологические материалы и живые организмы также могут 
успешно использоваться для решения этой задачи.

Биологическая очистка, ремедиация или переработка отходов 

длительнее, но эффективнее, экологичнее и экономичнее, чем физические и химические методы, и сокращают образование вторичных отходов. Биологический материал включается в трофические 
цепи питания, природный круговорот веществ без образования 
отходов. В отличие от большинства физических или химических 
методов биологические способы позволяют полностью минерализовать органические загрязнения, процессы протекают в более мягких условиях и отличаются универсальностью или селективностью.

Цель экобиотехнологии — защита природных экосистем от ан
тропогенных и техногенных воздействий; основные способы домтижения этих целей — биовосстановление, биопереработка и биодеградация.

Предлагаемая книга ознакомит читателей с теорией и практикой 

проектирования современных сооружений, которые составляют 
основу биологической очистки сточных вод, газовоздушных выбросов и твердых отходов. Для каждого из перечисленных сооружений 
приведены методики технологического расчета, необходимые для 
определения их размеров, производительности и т.д.

Раздел I

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА 

СТОЧНЫХ ВОД

Механическая очистка — это выделение из сточных вод находя
щихся в них нерастворенных грубодисперсных примесей, имеющих 
минеральную и органическую природу. Для этого применяются 
следующие методы:

— процеживание — задержание наиболее крупных загрязнений 

и частично взвешенных веществ на решетках и ситах;

— отстаивание — выделение из сточных вод взвешенных ве
ществ под действием силы тяжести на песколовках (для выделения 
минеральных примесей), отстойниках (для задержания мелких оседающих и всплывающих примесей), а также нефтеловушках, масло- и смолоуловителях;

— фильтрование — задержание очень мелких частиц суспензии 

на сетчатых и зернистых фильтрах.

В настоящее время как самостоятельный метод механическую 

очистку применяют редко. В основном ее используют как предварительный этап перед биологической очисткой или в качестве доочистки стоков.

Глава 1

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТОЧНЫХ ВОД

1.1. СОСТАВ СТОЧНЫХ ВОД

По физическому состоянию загрязнения сточных вод классифи
цируются следующим образом:

1) нерастворимые примеси, находящиеся в воде в виде крупных 

взвешенных частиц (частицы диаметром более десятых долей миллиметра) и в виде суспензии, эмульсии и пены (частицы диаметром 
от десятых долей миллиметра до 0,1 мкм);

2) коллоидные частицы диаметром от 0,1 до 0,001 мкм;
3) растворимые частицы, находящиеся в воде в молекулярно
дисперсном состоянии и имеющие диаметр < 0,001 мкм; они уже 
не образуют отдельной фазы, система становится однофазной — 
истинным раствором.

По своей природе загрязнения делятся на минеральные, органи
ческие, бактериальные и биологические.

К минеральным загрязнениям относятся пески, глинистые час
тицы, частицы руд, шлаков, растворы минеральных солей, кислот 
и щелочей, минеральные масла, железо, кальций, магний, кремний, калий и другие неорганические вещества.

Органические загрязнения бывают растительного и животного 

происхождения. К растительным загрязнениям относятся: остатки 
растений, плодоовощей и злаков, бумага, масла (растительные) 
и пр. Основным химическим элементом таких загрязнений является углерод. К загрязнениям животного происхождения относятся 
физиологические выделения людей и животных, остатки мускульных и жировых тканей животных, клеевые вещества и пр. Они характеризуются довольно значительным содержанием азота. Кроме 
того, в сточных водах содержатся фосфор, сера и водород.

Бактериальные и биологические загрязнения — это различные 

микроорганизмы: дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли 
и бактерии, в том числе болезнетворные — возбудители брюшного 
тифа, паратифа, дизентерии и др. Этот вид загрязнений свойствен 
в основном бытовым водам и некоторым видам производственных 
сточных вод (сточным водам боен, кожевенных заводов, шерстомоек, биофабрик и т.п.). По своему химическому составу они относятся к органическим загрязнениям, но выделяются в отдельную 
группу ввиду особого взаимодействия с загрязнениями других видов.