Очистка городских сточных вод, обработка и биологическая трансформация осадка

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
Е.А. Соловьева, А.С. Бабенко 

 

ОЧИСТКА ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД, 

ОБРАБОТКА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ 

ТРАНСФОРМАЦИЯ ОСАДКА 

 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательский Дом Томского государственного университета 
2019 

УДК 81’243’27:378.147 
ББК 81.2-99:74.48.268.1 
        С60 
 
Соловьева Е.А., Бабенко А.С.  
С60 
Очистка городских сточных вод, обработка и биологическая трансформация осадка. – Томск : Издательский Дом 
Томского государственного университета, 2019. – 140 с.  

ISBN 978-5-94621-875-7 
 
Монография посвящена проблеме удаления загрязнений из городских сточных вод. Рассмотрены все этапы очистки сточных вод, описаны  перспективные направления развития, включая современные способы биологической утилизации осадка. 
Для ученых профильных специальностей, практикующих инженеров, а также студентов и аспирантов экологического и инженерного 
направлений.  
 
УДК 81’243’27:378.147 
ББК 81.2-99:74.48.268.1 
 
 
Рецензенты: 
Н.А. Черников, проф., д-р техн. наук 
С.Ю. Семёнов, доцент, канд. биол. наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 © Соловьева Е.А., Бабенко А.С., 2019 
ISBN 978-5-94621-875-7 
© Томский государственный университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ .............................................................................................
 
1. РАСХОД И СОСТАВ СТОЧНЫХ ВОД .................................................
1.1. Формирование стока на селитебных территориях ...........................
1.2. Расход сточных вод .............................................................................
1.3. Состав сточных вод .............................................................................
 
2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ...............................
2.1. Решетки .................................................................................................
2.2. Песколовки ...........................................................................................

2.2.1. Реконструкция действующих песколовок .................................
2.2.2. Отмывка песка и осадка первичных отстойников ....................

2.3. Первичные отстойники .......................................................................
2.3.1. Технология работы отстойников в схемах очистки  
сточных вод  с денитрификацией и дефосфатированием ..................

 
3. ПОДГОТОВКА СТОЧНЫХ ВОД ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ 
ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕНИТРИФИКАЦИИ  
И ДЕФОСФАТИРОВАНИЯ В АЭРОТЕНКЕ ...........................................
 
4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ УДАЛЕНИЕ АЗОТА И ФОСФОРА  
В АЭРОТЕНКАХ .............................................................................................

4.1. Анализ процессов биологической очистки  
(анаэробных, аноксидных, оксидных) ......................................................
4.2. Баланс загрязнений в процессе биологической очистки  
по азоту ........................................................................................................
4.3. Рекомендуемые схемы биологической очистки  ..............................
4.4. Согласование параметров биологической очистки ..........................
4.5. Расчет частей биоблока .......................................................................

4.5.1. Дефосфатирование ......................................................................
4.5.2. Денитрификация ..........................................................................
4.5.3. Нитрификация  .............................................................................
4.6. Проверка технологий ДЕНИФО на очистных сооружениях ...........
4.7. Иммобилизованная биомасса .............................................................
4.8. Аэрация иловой смеси в аэротенках-нитрификаторах ....................
4.8.1. Массоперенос кислорода ............................................................
4.8.2. Потребление кислорода и расчет аэраторов .............................
4.9. Перемешивание иловой смеси в анаэробных  
и аноксидных зонах ....................................................................................
 
 

5

7
7
7
9

11
11
11
12
13
15

18

20

28

31

45
47
50
55
56
57
59
62
67
70
70
76

79

5. ВТОРИЧНЫЕ ОТСТОЙНИКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ  
ОЧИЩЕННОЙ ВОДЫ ..................................................................................
5.1. Разделение иловой смеси ....................................................................
5.2. Эксплуатационная модель работы вторичных отстойников ...........
5.3. Вспухание активного ила ....................................................................
5.4. Обеззараживание очищенной воды ...................................................
 
6. ОБРАБОТКА ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД .............................................

6.1. Характеристика осадков .....................................................................
6.2. Уплотнение и сгущение осадков ........................................................
6.3. Обезвоживание осадков ......................................................................
6.3.1. Центрифуги ..................................................................................
6.3.2. Центрипрессы ..............................................................................
6.3.3. Ленточные фильтр-прессы .........................................................
6.3.4. Камерные фильтр-прессы ...........................................................
 
7. РЕАГЕНТНАЯ ОБРАБОТКА СТОЧНЫХ ВОД ..................................
 
8. ИЗМЕНЕНИЯ В СХЕМАХ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД  
И ОБРАБОТКИ ОСАДКА .............................................................................
 
9. УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД .........................................
9.1. Компостирование осадка сточных вод ..............................................
9.2. Сжигание осадка ..................................................................................
9.3. Вермитрансформация осадка .............................................................
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...............................................................................................
 
ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................

83
83
87
93
96

99
99
104
105
105
110
110
113

115

121

125
125
127
129

136

137
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Особенность настоящего периода в развитии техники и технологии очистки сточных вод заключается в изменении приоритетов в оценке качества очищенной воды и целевых установок. 
В качестве основных определяющих показателей очистки 
сточных вод выступает степень удаления соединений азота (общий, аммонийный и нитратный) и фосфора (общий и ортофосфаты). Эти биогенные элементы возбуждают процессы эвтрофикации в водных объектах. При выполнении установленных 
нормативов по азоту и фосфору показатели состава по биологическому потреблению кислорода (БПК5), химическому потреблению кислорода (ХПК) и взвешенным веществам обеспечиваются почти автоматически.  
Переход на новые технологии удаления азота и фосфора приводит к снижению нагрузки на активный ил практически вдвое, 
переопределяет реконструкцию и расширение аэротенков. Для 
снижения возврата азота и фосфора в виде вторичных загрязнений должно быть усилено внимание к обезвоживанию осадков, 
в частности машинными способами, изменены подходы к стабилизации осадка и ила аэробными и анаэробными методами. 
В данной монографии для удобства чтения в текст введены 
некоторые сокращенные названия технологии очистки и технологических продуктов. Главным сокращением является аббревиатура, относящаяся к технологиям с удалением азота и фосфора. Среди имеющихся сокращений наиболее удачным, на наш 
взгляд, является датский вариант «Bio-denipho» – биологические 
денитрификация и дефосфатирование. 
Считаем полезным назвать эти технологии словом «денифо» – 
денитрификация и дефосфатирование, а в случае применения реагентов следует дополнить термин словом «реагентное». 
В настоящем издании представлены математические описания физических, химических и биологических процессов очистки сточных вод, базирующиеся на материалах исследований и 
практике эксплуатации очистных станций.  

В современной практике применяются различные способы и 
схемы биологического удаления азота и фосфора. Основой биологической очистки сточных вод являются инженерное управление 
развитием и сохранением полезного биоценоза и создание надлежащих условий для его существования. Главными показателями 
для оценки эффективности очистки служат ХПК, БПК5, концентрация взвешенных веществ и соединений азота и фосфора.  
Качество сбросных очищенных сточных вод, согласно рекомендациям Хельсинской комиссии по защите вод Балтийского 
моря от загрязнения (ХЕЛКОМ), должно поэтапно улучшаться. 
Для этого в Санкт-Петербурге и пригородах построены и действуют очистные станции нового поколения, на которых, в рамках сотрудничества ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» с Германией, Францией, Данией, Финляндией, Швецией и другими 
странами Европы и мира, отрабатываются новые технологии и 
технические средства. 
Актуальными остаются вопросы обработки и утилизации 
осадков, образующихся при очистке стоков. В настоящее время 
разработано множество различных технологий, позволяющих 
выполнить существующие требования к качеству очищенных 
сточных вод. 
Наиболее сложная проблема в очистке сточных вод – обработка образующихся осадков, включая подготовку осадка к обезвоживанию, непосредственно обезвоживание и утилизация. Поиск 
способов утилизации осадков идет во многих направлениях, но 
использование большинства из них ограничивает его объемы. 
Например, специфика канализации Санкт-Петербурга создает 
определенные сложности при их утилизации, так как осадки с 
допустимым содержанием солей тяжелых металлов практически 
невозможно использовать в качестве удобрения [6? 17].  
Необходимо отметить, что проблематика утилизации осадка 
имеет ярко выраженную региональную специфику, что требует 
разработки специфических решений с возможностью выбора 
оптимального варианта для условий конкретного региона.  

1. РАСХОД И СОСТАВ СТОЧНЫХ ВОД 
 
1.1. Формирование стока на селитебных территориях 
 
Существующая 
классификация 
способов 
водоотведения 
предполагает использование полной раздельной, полураздельной и общесплавной систем водоотведения.  
Наличие в городах старой исторической части застройки с 
единой системой водоотведения, нежелательность сброса неочищенных дождевых и талых вод (особенно в черте селитебной территории), многочисленные переключения и кольцевания 
на сетях приводят к смешению классических решений, в результате которого само понятие «система» перестает быть таковым.  
Во многих городах и поселениях во время дождей и снеготаяния расход сточных вод в бытовой сети возрастает как минимум на 20–30%, а иногда в 1,5–2 раза, чего не должно быть по 
самому определению полной раздельной системы водоотведения. В связи с вышеизложенным целесообразно считать все системы комбинированными с различной оценкой степени включения дождевых и талых вод. В настоящем издании авторы будут придерживаться такой терминологии, указывая, по возможности, относительное количество отводимых общей сетью дождевых и талых вод. 
 
1.2. Расход сточных вод 
 
Расход хозяйственно-бытовых сточных вод, согласно нормативным документам, следует определять по норме водоотведения и количеству населения. На наш взгляд, необходимо сразу 
же включать в расход инфильтрационные воды в количестве 5–
15 л/с на 1 га в районах с развитыми сетями водоснабжения и 
водоотведения. При расходе инфильтрационных вод 10–15 л/с 
на 1 га микрорайон следует относить к неблагополучным, в котором необходима реновация всех сетей, включая тепловые.  

Эквивалентная норма водоотведения колеблется от 270 до 
550 л/чел.·сут. Высокие значения обусловлены значительным 
притоком грунтовых вод, попадающих в канализационные сети, 
воды из рек, прудов, озер, морской воды.  
По дням недели можно отметить наибольшее водоотведение 
в понедельник и пятницe. В течение года выделяются большим 
водоотведением осенние, зимние и весенние месяцы; летом, 
ввиду оттока населения и профилактики тепловых сетей, водоотведение снижается на 10–15% [21, 29].  
В период выпадения дождей появляются пики поступления 
сточных вод длительностью от 4–6 до 14–16 ч. Количество дождевых вод, часовые и суточные их расходы, зависят от величины слоя 
выпавших осадков, которая, в свою очередь, зависит от периода 
однократного превышения интенсивности дождя [2, 21, 29].  
Дожди с периодичностью один раз год создают напряженную 
обстановку на очистной станции, а более интенсивные – переполнение сооружений и необходимость сброса стоков по аварийному выпуску. По прогнозам метеослужбы возможно составить соответствующие прогнозы притока сточных вод и подготовить регламент по приему сверхнормативных расходов. 
В зарубежной практике применяют аккумулирующие емкости полу-проточного типа с неполной очисткой и сбросом части 
воды, последующим направлением накопленных осадков на 
очистную станцию. Меры по рациональному водопользованию 
(установка счетчиков расхода воды) ведут к уменьшению сброса 
воды, в отдельных случаях – к двукратному сокращению расхода. В этом случае канализационные сети становятся аккумуляторами и наблюдаются негативные явления цикличного накопления и смыва отложений в сети.  
Состав сточных вод в сухую погоду определяется на основе 
удельного количества загрязнений на одного эквивалентного 
жителя и фактической нормы водоотведения. Сброс производственных стоков может изменить состав городских сточных вод, 
но несущественно ввиду ограничений по правилам приема промышленных стоков в городские сети. Не следует ограничивать 
поступление легкоокисляемых органических загрязнений от 

предприятий пищевой промышленности, так как наличие их 
способствует более глубокому изъятию азота и фосфора.  
Если исходить из условия постоянного соблюдения качества 
очищенной воды, сохранения в работоспособном состоянии активного ила и бактерий – нитрификаторов, следует рассчитывать очистные сооружения на пропуск дождей с величиной Р от 
0,15 до 0,2, т.е. с вероятностью выпадения дождей 5–7 раз году 
[1, 29]. В период снеготаяния наиболее неприятная особенность 
стока – низкая температура воды: 6–7°С в небольших поселениях и 8–12°С в крупных городах.  
 
1.3. Состав сточных вод 
 
В Северо-Западном регионе Российской Федерации состав 
воды фактически определяется притоком посторонних вод. Для 
грунтовых вод, проникающих в сети, характерно высокое содержание железа (иногда до 30 мг/л), алюминия, цинка, меди, 
марганца, фтора. Содержание этих элементов в бытовых стоках 
от жилых кварталов мало отличается от их количества в общегородских сетях [23]. Более точно состав сточных вод определяется по удельному количеству загрязнений на одного эквивалентного жителя.  
Удельное количество загрязнений зависит от системы канализации и образа жизни населения. В табл. 1.1 приведено примерное количество загрязнений в развитых странах Европы (ЕС) 
и России в сухую погоду [21].  
Концентрация Ci, мг/л  веществ загрязнений, рассчитывается 
по формуле 

отв

1000 ,
i
i
G
C
q


                                   (1.1) 

где Gi – удельное количество загрязнений, г/чел.·сут; qотв – фактическая норма водоотведения, л/чел.·сут.  
Проверку достоверности данных анализов состава стоков 
следует проводить по соотношению показателей, в частности, 
БПК5 – 45–50% от ХПК, азот аммонийный – 60–70% от общего, 
фосфор фосфатов – 55–65% от общего. Вследствие смыва отло

жений из сети меняется зольность взвешенных веществ с 30–35 
до 50–55%.  
 
Т а б л и ц а  1.1 
Удельное количество загрязнений на одного эквивалентного жителя 
 

Показатели 
Удельное количество загрязнений на одного жителя, г/чел.·сут 

Европа (страны ЕС) 
Россия 

Взвешенные вещества 
70–75 
65–70 

ХПК 
120–125 
115–120 

БПКп 
– 
75–80 

БПК5 
60–65 
55–60 

Азот общий 
12–12,5 
11–12 

Азот аммонийный 
– 
7,5–8,0 

Фосфор общий 
2,0–2,5 
1,8–2,0 

Фосфор фосфатов 
– 
1,1–1,2 

 
В годовом цикле поверхностный сток увеличивает количество сточных вод на 6–8%, а массу загрязнений – на 10–12% по 
ХПК и БПК5 и на 15–20% по взвешенным веществам. Но в отдельные короткие промежутки времени расход сточных вод может возрасти в 1,5–2 раза, а масса загрязнений – до 1,4 раза по 
ХПК и БПК5, а по взвешенным веществам – до 3–4 раз. 

2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА  
СТОЧНЫХ ВОД 
 
2.1. Решетки 
 
На очистных станциях города и пригородов действуют тонкопрозорчатые решетки (прозоры 2–6 мм), обеспечивающие 
предварительное изъятие отбросов. Тонкие прозоры позволяют 
увеличить скорость движения воды до 1,3–1,4 м/с, благодаря 
чему существенно увеличивается их пропускная способность. 
На тонкопрозорчатых решетках при длительном перерыве между их очисткой, происходит намыв отбросов в виде экрана, на 
котором задерживаются волокнистые частицы, и образуется так 
называемый войлок. Войлок не удаляется подвижными пластинами, уплотняется за счет давления набегающего потока, и его 
приходится разрывать на части для ликвидации. 
Между тем данное явление весьма полезно для эффективного 
задержания волокнистых и пленочных материалов, жира и 
нефтепродуктов. Очевидно, что необходима индивидуальная 
настройка на решетках системы удаления отбросов, например 
по перепаду уровней воды до и после решетки, либо иным способом. В целом система процеживания действует достаточно 
эффективно при защите сооружений от засорения. 
 
2.2. Песколовки 
 
Существующие способы оценки количества и качества песка 
в сточных водах необходимо совершенствовать с целью определения содержания агрегатно связанного песка малой крупности. 
Эта задача связана с развертыванием комплекса научнопрактических исследований на нескольких характерных объектах. В данной работе были использованы результаты функционирования аэрируемых и неаэрируемых песколовок на город

ских КОС Санкт-Петербурга и Москвы [11, 16, 32]. По содержанию песка в осадке определялась необходимая продолжительность осаждения песка, снижающая абразивный износ шнека 
центрифуг. По опыту работы при содержании песка в осадке на 
уровне 3% и выше наплавка шнеков производилась 2 раза в год.  
По данным работы песколовок на канализационных очистных сооружениях (КОС) города и пригородов составлены ориентировочные рекомендации по расчету аэрируемых песколовок, приведенные в [21]. 
Продолжительность пребывания воды в песколовке ts (с): 

0,8
1000 (
1)
so
s
st
so

J
t
J
J



,                                 (2.1) 

где Jso – начальное возможное содержание песка в осадке первичных отстойников, 15–20% от веса осадка; Jst – конечное содержание песка в осадке первичных отстойников (3–4% для использования центрифуг и 5–6% для использования ленточных 
фильтр-прессов. 
 
Т а б л и ц а  2.1 
Конечное содержание песка в осадке первичных отстойников 
 
Значения Jst, % 
для аэрируемых 
песколовок 

ts, с 

60 
120 
180 
240 
300 
540 
600 1 200 1 500

12 
8,6 
6,7 
5,5 
4,7 
2,9 
2,6 
1,4 
1,1 

 
Способы отмывки песка от органических примесей еще 
несовершенны. Большинство пескомоек рассчитано на отделение свободного песка в спиральном восходящем потоке разбавленной пескопульпы, при этом граничная крупность задерживаемых частиц 0,2–0,25 мм. Для отделения более мелких частиц 
песка, в особенности агрегатно связанных с органическими и 
неорганическими образованиями, необходимо приложить к агрегатам механическое воздействие путем установок вибраторов, 
турбинных мешалок, гидродинамических устройств. 
 
2.2.1. Реконструкция действующих песколовок 
 
Расширение действующих песколовок или строительство новых секций не всегда возможно, поэтому часто остается един