Основы водоподготовки и водоотведения

ОСНОВЫ 

ВОДОПОДГОТОВКИ 
И ВОДООТВЕДЕНИЯ

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва
ИНФРА-М

2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия 

для учебных заведений, реализующих программу среднего профессионального 

образования по специальности 08.02.04 «Водоснабжение и водоотведение» 

(протокол № 5 от 19.05.2021)

УДК 628.1(075.32)
ББК 38.761я723
 
К86

Р е ц е н з е н т ы:

А.В. Луканин, доктор технических наук, профессор Российского 

университета дружбы народов;

Г.И. Воробьева, доктор биологических наук, профессор, почетный 

химик Российской Федерации, главный научный сотрудник Всерос-
сийского научно-исследовательского и технологического института 
биологической промышленности Российской академии наук

ISBN 978-5-16-016819-7 (print)
ISBN 978-5-16-106365-1 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium

© Ксенофонтов Б.С., 2021

Ксенофонтов Б.С.

К86  
Основы водоподготовки и водоотведения : учебное пособие / 

Б.С. Ксенофонтов. — Москва: ИНФРА-М, 2023. — 256 с. + Доп. мате-
риалы [Электронный ресурс]. — (Среднее профессио нальное образова-
ние). — DOI 10.12737/1222066.

ISBN 978-5-16-016819-7 (print)
ISBN 978-5-16-106365-1 (online)
Очистка природных и сточных вод является неотъемлемой частью 

практически любого технологического процесса, по это му одноименная 
дисциплина является универсальной и используется для подготовки спе-
циалистов различных уровней и всех направлений в средних профессио-
нальных образовательных учреждениях. В учебном пособии изложены 
основы водоподготовки, водоотведения и очистки сточных вод.

Ориентировано на учащихся колледжей, также будет полезно студен-

там бакалавриата и магистратуры, аспирантам, преподавателям и специа-
листам, интересующимся способами очистки природных и сточных вод.

УДК 628.1(075.32)

ББК 38.761я723

Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Введение

Очистка природных и сточных вод становится важнейшим 
направлением подготовки специалистов. При этом следует отме-
тить, что постоянное ужесточение требований к качеству очистки 
как природных, так и сточных вод требует использования новых 
технологий, которые учащиеся должны сначала осваивать, а затем 
и разрабатывать самостоятельно. Надо четко понимать, что в за-
висимости от глубины решаемой задачи можно использовать раз-
личные резервы, но при этом необходимо придерживаться мини-
мально необходимых затрат, достаточных для решения постав-
ленной задачи.
При изучении основ биологического способа очистки сточных 
вод важно понимать возможности окисления различных загряз-
нений микроорганизмами активного ила, а также знать потенци-
альные пути утилизации избыточного активного ила. Такие воз-
можности достаточно подробно изложены в данном пособии.
В последнее время в России началось использование наилучших 
доступных технологий (НДТ). Во всех случаях учащиеся должны 
понимать, в каких случаях использовать ту или иную технологию.
В результате освоения данного пособия учащиеся будут:
знать
 
• характеристики находящихся в различных состояниях загряз-
нений природных вод;
 
• основные способы очистки природных вод и водоочистное обо-
рудование;
 
• специальные способы очистки природных вод и их обеззаражи-
вание;
 
• взаимодействие загрязнений, находящихся в природной воде, 
и их влияние на качество очищаемой воды;
 
• методику выбора технологии очистки природной воды с учетом 
взаимодействия загрязнений;
 
• характеристики находящихся в сточных водах в различных состояниях 
загрязнений;
 
• требования к очистке сточной воды, сбрасываемой в канализацию 
или в природные водоемы;
 
• основные способы очистки сточных вод и водоочистное оборудование;
 
• 
взаимодействие загрязнений, находящихся в сточной воде, и их 
влияние на качество очищаемой воды;

• методику выбора технологии очистки сточной воды с учетом 
взаимодействия загрязнений;
 
• методы оптимизации технологических процессов очистки природных 
вод;
 
• методы оптимизации технологических процессов очистки природных 
вод;
 
• безопасные режимы эксплуатации водоочистных установок;
уметь
 
• проводить расчеты основных способов и аппаратов очистки природных 
вод;
 
• проводить расчеты основных способов и аппаратов очистки 
сточных вод;
 
• выбирать критерии и методы определения НДТ очистки природных 
вод;
 
• выбирать критерии и методы определения НДТ очистки 
сточных вод;
 
• обеспечивать безопасные режимы эксплуатации водоочистных 
установок;
владеть
 
• методами определения и разработки технологий очистки природных 
вод с различным качественным и количественным составом 
загрязнений;
 
• методами определения и разработки технологии очистки 
сточных вод с различным качественным и количественным составом 
загрязнений;
 
• методами разработки технологической схемы очистки природных 
вод с учетом содержащихся в ней загрязнений;
 
• методами создания безопасных режимов эксплуатации водоочистных 
установок.
Рассмотрению указанных выше проблем и усвоению учебного 
материала в наиболее полном объеме и посвящено данное учебное 
пособие.

Раздел I. 
ВОДОПОДГОТОВКА

Глава 1. 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ ВОДЫ 
И ВОДОПОДГОТОВКЕ

1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ СИСТЕМ 
И ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ВОДЫ

В природных водах обнаруживаются почти все элемен ты периодической 
системы Д.И. Менделеева, причем главным элементом, 
как известно, является кислород, поскольку он преобладает 
по массе в формуле воды, а водорода значительно меньше (всего 
11,2%).
Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены 
в углах равнобедренного треугольника; длина связи О—Н равна 
0,0957 нм; валентный угол Н—О—Н составляет 104,5°. Физические 
свойства воды аномальны. Плавление льда при атмосферном давлении 
сопровождается уменьшением его объема примерно на 9%. 
Температурный коэффициент объемного расширения льда и воды 
отрицателен при температурах соответственно ниже —210 и 3,98°C. 
Кроме того, близость валентного угла Н—О—Н к тетраэдрическому 
(109°28′) обусловливает достаточно рыхлую структуру льда и воды 
и вследствие этого аномальность ряда физических свойств, в частности 
зависимость плотности от температуры.
Молекулы воды, обладая достаточно большим дипольным моментом (
6,17 · 10—30 Кл · м), весьма сильно взаимодействуют друг 
с другом и вообще с полярными молекулами других веществ. 
Атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами 
О, N, Cl и др. Трехмерная сетка водородных связей, построенная 
из тетраэдров, существует во всем интервале от температуры 
плавления до критической температуры. Увеличение плотности 

при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объ-
ясняется искривлением водородных связей и отклонением углов 
между ними от тетраэдрических. Искривление связей увеличива-
ется с повышением температуры и давления, что приводит к воз-
растанию плотности. При нагревании средняя длина водородных 
связей становится больше, в результате чего плотность вещества 
уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет на-
личие максимума плотности воды при 4°C.
Химические свойства воды так же, как и физические, отлича-
ются особенностями. Известно, что лишь незначительная доля 
молекул подвергается электролитической диссоциации по схеме: 
Н2О = Н+ + ОН—. Протон Н+ в водной среде, взаимодействуя с мо-
лекулами воды, образует Н3О+, объединяющийся с одной моле-
кулой Н2О в Н5О2
+. Расстояние О… О в таких комплексах заметно 
короче длины нормальной водородной связи между нейтральными 
молекулами. При этом протон находится не точно посередине 
этой укороченной связи, а ближе к одному из атомов О, и по это му 
можно считать, что в воде существует гидратированный ион ок-
сония Н3О+. Это явление играет большую роль в протекании хи-
мических процессов.
Вода достаточно реакционноспособное соединение. Она окис-
ляется атомарным кислородом: Н2О + О → Н2О2. При взаимодей-
ствии воды с F2 образуются HF, а также О, О2, О3, Н2О2 и другие 
соединения. С остальными галогенами вода реагирует с образо-
ванием смеси кислот. При обычных условиях с водой взаимо-
действует до половины растворенного в ней хлора, в значительно 
меньших количествах — брома и йода. При повышенных темпе-
ратурах хлор и бром разлагают воду с образованием кислот и О2. 
При пропускании паров воды через раскаленный уголь она разла-
гается, и образуется водяной газ:

 
Н2О + С = СО + Н2

При повышенной температуре в присутствии катализатора вода 
реагирует с СО, СН4 и другими углеводородами. В качестве примера 
приведем реакции, представляющие практический интерес, в част-
ности, в присутствии в качестве катализатора Fe: H2O + CO = CO2 + H2 
и Ni или Со: Н2О + СН4 = СО + 3Н2.
Приведенные реакции используют в технологических процессах 
промышленного получения водорода. Они представляют опреде-
ленный интерес и для обезвреживания газовых выбросов, содер-
жащих СО и углеводороды.

Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии 
катализатора окисляется в метафосфорную кислоту:

 
6Н2О + 3Р → 2НРО3 + 5Н2

Вода взаимодействует со многими металлами с образованием 
водорода и соответствующего гидроксида. При этом со щелочными 
и щелочно-металлами, за исключением магния, эта реакция проте-
кает при комнатной температуре. Менее активные в химическом 
отношении металлы разлагают воду при повышенной температуре, 
например, железо — при температуре выше 600°C:

 
2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 3H2

При взаимодействии с водой оксидов образуются кислоты 
или основания. Вода может выполнять роль катализатора, на-
пример, водород и щелочные металлы реагируют с хлором только 
в присутствии следов воды.
Вода достаточно хорошо растворяет вещества с выраженными 
полярными свойствами, при этом растворимость малополярных 
веществ в ней достаточно низкая и имеет сложную зависимость 
от температуры. Известно, что многие вещества, растворяясь в воде, 
взаимодействуют с ней, и между растворенными в воде ионами, 
не вступающими с ней в химические реакции, устанавливаются 
ион-дипольные взаимодействия. Кроме того, взаимодействие на-
блюдается между молекулами и атомами растворенных в воде 
веществ и молекулами воды. Это явление называют гидратацией. 
Следует отметить, что гидратация может происходить как с раз-
рушением молекул воды, так и без него. Гидратация обусловлена 
электростатическим и ван-дер-ваальсовым взаимодействиями, ко-
ординационными и водородными связями.
В водных раство рах многозарядные ионы (например, Аl 3+) и од-
нозарядные (Li+) прочно связывают расположенные рядом молекулы 
воды. При этом образуются аквакатионы, например (Al (H2O)6)3+. 
Кристаллогидраты солей обычно образуются, когда катионы в их 
кристаллической решетке с молекулами воды образуют более 
прочные связи, чем с анионами в решетке безводной соли.
При низких температурах вода в кристаллогидратах может быть 
связана и с катионом, и с анионом соли. Воду, входящую в состав 
кристаллогидратов, называют кристаллизационной. Известно 
также существование псевдогидратов, в которых все молекулы 
воды или их часть превращаются в гидроксид-ионы или ионы ги-
дроксония, например НClO4H2O или (Н3О) ClO4. Воду, входящую 

в состав таких псевдогидратов, обычно называют конституционной. 
При этом в каждом кристаллогидрате молекулы воды располага-
ются в достаточно строгом порядке. Вода может связывать аквака-
тион с анионом водородными связями. Существуют кристаллогид-
раты, в которых вода образует слои, объединяемые ионами солей. 
Известны тектогидраты, в которых молекулы воды имеют струк-
туру, подобную структуре льда.
Представляет научный и практический интерес своеобразная 
классификация состояния воды в различных соединениях. Вода 
в зависимости от распределения среди других веществ разделяется 
на пять различных групп:
1) конституционная вода. Ее молекулы входят в состав аниона 
или катиона некоторых комплексов кобальта, железа, платины; вы-
деление такой воды под действием нагревания обычно вызывает 
разрушение кристаллической структуры металла;
2) кристаллизационная вода. Она соответствует определенному 
числу молекул Н2О, входящих в состав некоторых веществ; может 
выделяться при нагревании, но вновь присоединяться к безводному 
веществу, если его снова приблизить к воде; при этом образуются 
подлинные гидраты, кристаллическая структура которых отлича-
ется от кристаллической структуры безводного вещества;
3) пропитывающая вода. Такая вода находится в цеолитах, 
опалах, глинах;
4) смачивающая вода, называемая иногда адсорбционной водой. 
Она встречается на поверхности стекла, кварца, ртути, в «поло-
стях» железа;
5) физиологически связанная вода. Такая вода находится 
в тканях живых существ и очень отличается от кристаллизаци-
онной воды.
Таким образом, вода является достаточно сложными веществом 
как по физическим, так и по химическим показателям.
Природные воды по преобладающему ионному составу де-
лятся на три класса: хлоридный, сульфатный и гидрокарбонатный. 
Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на три группы: каль-
циевую, магниевую и натриевую, т.е. классификация проводится 
по катионам.
Многие природные воды содержат значительные количества 
кальция, магния, натрия, хлора, серы и других элемен тов, назы-
ваемых в этом случае макроэлементами. Число их, как правило, 
не превышает 10. Зато число микроэлемен тов, содержание которых 
в воде не превышает 0,01%, в большинстве случаев составляет де-
сятки.

Количество растворенных в природных водах веществ колеб-
лется в широких пределах. Например, в морских водах их содер-
жание составляет 3,5%, в речных в отдельных случаях — лишь 
0,005%, а в подземных рассолах — более 50%. От количества растворенных 
веществ зависит возможность использования вод 
для питья, орошения полей и т.д.
Русский геохимик А. Овчинников предложил следующую классификацию 
вод.

Общая минерализация, г/л
Наименование вод

Менее 0,2
Ультрапресные

0,2–0,5
Пресные

0,5–1,0
С повышенной минерализацией

1,0–3,0
Солоноватые

3,0–10,0
Соленые

10,0–35,0
С повышенной соленостью

35,0–50,0
Переходные к рассолам

50,0–400,0
Рассолы

В гидросфере основными являются соленые воды, к которым 
относится и Мировой океан. Среди подземных вод преобладают 
соленые воды и рассолы, а среди поверхностных вод материков — 
пресные и ультрапресные воды.
Питьевая вода хорошего качества, по А. Овчинникову, содержит 
не более 500 мг солей в 1 л, при этом также широко используются 
воды с минерализацией до 1 г/л, а в некоторых районах даже 
до 3 г/л.
Следует отметить, что верхнюю границу минерализации ультра-
пресных вод многие ученые понижают до 0,1 г/л. Воды с таким содержанием 
солей распространены в районах с преимущественным 
распространением силикатных пород. Самая подробная классификация 
природных вод по наличию солей разработана известным 
гидрогеологом Н. Толстихиным. Он выделяет, например, сверх-
пресные воды с минерализацией 0,01–0,03 г/л, к которым относятся 
льды и снега центра Антарктиды. Деление вод по общей 
минерализации не позволило отразить многие их существенные 
свойства, в том числе важные в практическом отношении. Поэтому 
основное внимание стали обращать на состав минеральных солей, 
прежде всего на содержание в воде ионов. При этом следует отметить, 
что, когда говорят о содержании ионов в воде, имеют в виду 
прежде всего способ выражения результатов исследований, так 

как в природных водах, как правило, нет элемен тов в свободном 
состоянии (только инертные газы — гелий, неон, аргон, криптон, 
ксенон, радон, а также частично кислород и азот находятся в воде 
в свободной форме).
Ионный состав природных вод определяет особенности их использования 
как в народном хозяйстве, так и в медицине. Особенности 
ионного состава природных вод имеют огромное значение 
при использовании воды для питьевых целей. Так, содержание 
в воде ионов некоторых элемен тов (фтора, калия, кальция и т.д.) 
имеет огромное значение для здоровья людей. При этом в зави-
симости от климатических условий того или иного района содер-
жание ионов указанных элемен тов может изменяться, что и отра-
жено в ГОСТе на питьевую воду.
Следует отметить, что ионный состав при всем его большом 
научном и практическом значении не определяет всего много-
образия природных вод. Во многих случаях его роль явно отсту-
пает на задний план. Это связано с тем, что в природных водах не-
которые элемен ты присутствуют как в ионной, так и в неионной 
форме. В этой связи по содержанию ионного состава не удается 
провести универсальную классификацию природных вод.
Огромное влияние на геохимические особенности большинства 
вод оказывают растворенные органические вещества (РОВ) и газы. 
В биосфере главный процесс образования РОВ — микробиологи-
ческое разложение растительных и животных остатков, при этом 
происходит синтез новых специфических высокомолекулярных со-
единений темного цвета — гумусовых веществ. По составу и свой-
ствам они резко отличаются от органических соединений живых 
организмов, например белков.
Помимо гумусовых соединений, многие природные воды со-
держат РОВ нефтяного ряда — различные углеводороды, фенолы 
и т.д. Обнаружены в водах и органические соединения, харак-
терные для живых организмов, — белки, аминокислоты, углеводы, 
уксусная, масляная и другие кислоты, жиры, эфиры, альдегиды 
и т.д.
Наряду с гумусовыми веществами в некоторых подземных водах 
присутствуют и РОВ нефтяного ряда. В глубоких горячих под-
земных водах, где деятельность микроорганизмов невозможна, об-
разование РОВ связано с термическим разложением органических 
соединений горных пород и другими сопутствующими процессами.
Органические вещества растворены и в термальных водах. На-
пример, в горячих хлоридно-сульфатных водах медь, цинк, золото 
и другие металлы мигрируют в составе органических комплексов.