Защита гидросферы

Москва  2021

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ 
 
Кафедра безопасность и экология горного производства

А.А. Куликова

ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4555

УДК 622.4 
 
К90

Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, доц. Т.И. Овчинникова

Куликова, Александра Анатольевна.
К90  
Защита гидросферы : учеб. пособие / А.А. Куликова. – 
Москва : Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2021. – 
215 с.
ISBN 978-5-907227-89-7

Рассмотрены проблемы охраны водной среды, приведены классификация 
и характеристики основных видов загрязнений, даны классификации 
методов и процессов защиты гидросферы от химических 
и физических видов загрязнений. Предложены мероприятия по снижению 
загрязнения водной среды.
Учебное пособие, подготовленное на кафедре «Безопасность и экология 
горного производства» Горного института, предназначено для 
подготовки специалистов по специальности 21.05.04 «Горное дело» 
специализации «Промышленная и экологическая безопасность» и 
магистров 20.04.01 «Техносферная безопасность» при изучении дисциплин 
ФГОС «Инженерная защита окружающей среды» и «Процессы 
и аппараты защиты окружающей среды». 

УДК 622.4

 А.А. Куликова, 2021 
ISBN 978-5-907227-89-7
 НИТУ «МИСиС», 2021

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................................... 5

1. Классификация и свойства сточных вод.  
Методы очистки сточных вод ............................................... 6
1.1. Классификация сточных вод ...................................... 6
1.2. Показатели качества сточных вод ............................... 8
1.3. Методы очистки сточных вод .................................... 16

2. Методы очистки от грубодисперсных примесей ................. 19
2.1. Процеживание  ....................................................... 19
2.2. Пескоулавливание .................................................. 22
2.3. Отстаивание ........................................................... 29
2.4. Фильтрование ........................................................ 42
2.5. Осветление воды в слое взвешенного осадка  ............... 54
2.6. Флотация .............................................................. 55
2.6.1. Способы флотационной обработки сточных вод ..... 56
2.7. Осветление воды в поле центробежных сил ................. 65

3. Очистка сточных вод от мелкодисперсных примесей .......... 70
3.1. Коагуляция ........................................................... 70
3.2. Флокуляция  .......................................................... 73
3.3. Аппаратура для обработки сточных вод  
коагуляцией и флокуляцией .......................................... 76

4. Очистка сточных вод от растворенных неорганических 
примесей ........................................................................ 84
4.1. Методы очистки сточных вод от минеральных  
примесей ..................................................................... 84
4.1.1. Дистилляция .................................................... 84
4.1.2. Кристаллизационный метод ............................... 87
4.1.3. Метод гелиоопреснения ..................................... 89
4.1.4. Обратный осмос и ультрафильтрация ................... 90
4.1.5. Электродиализ.................................................. 93
4.1.6. Ионный обмен .................................................. 95
4.2. Методы очистки сточных вод от тяжелых металлов ....102
4.2.1. Примеры удаления ионов тяжелых металлов .......104
4.3. Нейтрализация ......................................................112
4.4. Окисление ............................................................114
4.4.1. Примеры очистки сточных вод окислением 
с помощью «активного» хлора ....................................115

4.4.2. Примеры очистки сточных вод окислением 
с помощью кислорода воздуха ....................................118
4.5. Очистка восстановлением .......................................119

5. Электрохимические методы очистки ..............................122
5.1. Электрокоагуляция  ...............................................125
5.2. Электрохимическое окисление и восстановление ........129
5.3. Гальванокоагуляционная очистка сточных вод ..........131

6. Очистка сточных вод от нерастворимых и растворенных 
органических примесей ...................................................134
6.1. Экстракция  ..........................................................134
6.2. Биологическая очистка сточных вод .........................137
6.3. Сорбция ................................................................164

7. Методы обеззараживания сточных вод ............................176
7.1. Хлорирование .......................................................176
7.2. Озонирование ........................................................178
7.3. УФ-обеззараживание ..............................................182

8. Методы обработки осадков сточных вод ..........................184
8.1. Уплотнение активного ила ......................................194
8.2. Стабилизация осадков ............................................196
8.2.1. Анаэробное сбраживание ..................................196
8.2.2. Аэробное сбраживание ......................................198
8.3. Кондиционирование осадков ...................................201
8.4. Обезвоживание осадков ..........................................203
8.5. Термическая обработка осадков ...............................208
8.6. Ликвидация ..........................................................209
8.7. Утилизация осадков ...............................................210

Заключение ...................................................................213

Библиографический список ..............................................214

ВВЕДЕНИЕ

Процессы инженерной защиты окружающей среды – ком-
плексная научно-техническая дисциплина, изучающая теорети-
ческие основы создания ресурсосберегающих технологий, эко-
логически безопасных промышленных производств, реализации 
инженерно-экологических решений по рациональному природо-
пользованию и защите окружающей среды.
Основная цель изучения данной дисциплины – приобретение 
знаний о способах, средствах и технических решениях защиты 
окружающей среды и выработка навыков выполнения конкрет-
ных инженерно-технических расчетов.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА 
СТОЧНЫХ ВОД. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ 
СТОЧНЫХ ВОД

1.1. Классификация сточных вод

Воды, удаляемые после их использования, называют сточны-
ми. Если брать более полную и точную формулировку, то сточ-
ной водой (или сточной жидкостью) называется использованная 
на бытовые или производственные нужды вода, получившая при 
этом загрязнения, изменившие ее первоначальный химический 
состав или подлежащая удалению с территории населенного 
пункта или промышленного предприятия.
В зависимости от происхождения, вида и качественной ха-
рактеристики примесей сточные воды подразделяют на три ос-
новные категории: 
 
– бытовые (хозяйственно-фекальные);
 
– производственные;
 
– атмосферные (ливневые).
К бытовым относятся воды от кухонь и туалетных комнат, 
бань и прачечных, предприятий общественного питания и лечеб-
ных учреждений, мытья помещений. Они поступают от жилых и 
общественных зданий и от бытовых помещений промышленных 
предприятий. По природе загрязнений бытовые сточные воды 
делятся на:
 
– фекальные – воды, загрязненные физиологическими выде-
лениями людей;
 
– хозяйственные – воды, загрязненные всякого рода хозяй-
ственными отбросами.
Виды загрязнений бытовых сточных вод:
 
– органические загрязнения – белковые вещества, жиры, 
углеводы и продукты их разложения;
 
– неорганические загрязнения – соли, присущие питьевой 
воде и образующиеся в процессе обменных реакций в организ-
ме человека, фосфаты и аммонийные соли – продукт гидролиза 
мочевины, песок и глинистые частицы, попадающие в бытовые 
воды от мытья овощей и фруктов, уборки помещений и т.д.; 
 
– биологические загрязнения – разнообразные микроорга-
низмы, том числе и патогенные, и яйца гельминтов. Попадают 

они в систему водоотведения с физиологическими выделениями 
людей, водой от ванн и кухонь.
Загрязнения органической природы составляют 45–58% об-
щей массы загрязнений бытовых сточных вод.
Отличительная особенность бытовых сточных вод – относи-
тельное постоянство их состава, так как от каждого жителя в си-
стему водоотведения поступает в среднем постоянное количество 
определенных загрязнений (г/сут).
К производственным сточным водам относят воды, образо-
вавшиеся при проведении различных технологических процес-
сов, добыче полезных ископаемых, а также вода, прошедшая че-
рез загрязненную территорию промышленных предприятий и не 
пригодная для вторичного использования
Вода загрязняется в результате протекания различных хими-
ческих реакций, при промывке сырья, продуктов и оборудова-
ния, а также при охлаждении оборудования, еще источниками 
загрязнения сточных вод являются маточные водные растворы, 
водные экстракты, реэкстакты и адсорбенты, выделяющиеся из 
сырья при проведении технологических процессов, свободная и 
связанная влага, вода, загрязненная в процессе эксплуатации 
различного оборудования.
Производственные сточные воды можно разделить на две основные 
категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые).

Загрязненные сточные воды делятся на три группы: 
 
– загрязненные преимущественно органическими примесями;
 
– загрязненные преимущественно минеральными примесями;
 
– загрязненные смесью этих примесей.
Количество и состав производственных сточных вод зависит 
от ряда факторов: 
 
– технологического процесса;
 
– режимов проведения;
 
– состава сырья;
 
– промежуточных изделий и продуктов; 
 
– выпускаемой продукции;
 
– состава исходной свежей воды.
Атмосферные (ливневые) сточные воды образуются в результате 
выпадения осадков; также талые воды, образующиеся в результате 
таяния снега и льда, и воды от поливки улиц, от фон-

танов и дренажей по качественной характеристике загрязнений 
близки к ливневым. Ливневые воды содержат много песка, му-
сора, глинистых частиц, а также нефтепродуктов, смываемых с 
улиц города. Загрязнение территории промышленных предпри-
ятий приводит к появлению в ливневых водах примесей, харак-
терных для того или иного производства. Отличительной осо-
бенностью ливневого стока является его эпизодичность и резко 
выраженная неравномерность его по расходу и концентрации за-
грязнений.

1.2. Показатели качества сточных вод

Группы показателей качества сточных вод:
 
– органолептические – показатели, которые определяются 
только с помощью органов чувств. К ним относятся окраска, за-
пах, прозрачность и др.;
 
– физико-химические;
 
– санитарно-бактериологические (биологические) показа-
тели включают определение общего счета аэробных сапрофитов 
(микробное число), бактерий группы кишечной палочки (БГКП) 
и анализ на яйца гельминтов.   
Температура. Кроме влияния на процессы осаждения, тем-
пература является также важным технологическим параметром 
биологических процессов очистки, так как от нее зависит ско-
рость биохимических реакций и растворимость в воде кислоро-
да, необходимого для жизнедеятельности микроорганизмов. 
Определяют температуру непосредственно при отборе пробы 
термометром с делениями до 0,1 °С с точностью ±0,5 °С.
Окраска. Бытовые сточные воды окрашены слабо. Интенсив-
ная окраска показывает наличие производственных сточных 
вод, особенно от предприятий легкой промышленности, где в 
большом количестве используются разнообразные красители. 
Окраска определяется в фильтрованных пробах в цилин-
драх из бесцветного стекла и описывается на основе визуаль-
ного наблюдения: розовая, слабо-желтая, буроватая и т.п. Ин-
тенсивность окраски характеризуют степенью разбавления 
исследуемой воды дистиллированной, при которой окраска ис-
чезает. Результат записывают отношением, например 1:500 (где 
1 – 1 часть исследуемой пробы, 500 – сумма 499 частей разбавля-
ющей воды и 1 части исследуемой).

Запах. Запах бытовых стоков довольно характерен и пред-
ставляет собой смесь запахов фекалий и разложений органи-
ческих веществ. Запах производственных стоков весьма раз-
нообразен и зависит от вида производства. Для сточных вод 
описание запаха наиболее важно при появлении новых, ранее не 
встречавшихся оттенков, а также при резком возрастании ин-
тенсивности запаха, что свидетельствует о залповом сбросе кон-
центрированных сточных вод отдельными производствами.
Сначала определяют характер запаха (табл. 1.1), затем по пя-
тибалльной системе оценивают его интенсивность.

Таблица 1.1 
Шкала оценки запаха

Обозначение 
запаха
Характер запаха
Примерный род запаха

А
Ароматический
Огуречный, цветочный
Б
Болотный
Илистый, тинистый
Г
Гнилостный
Фекальный, сточный
Д
Древесный
Запах морской щепы, древесной коры
З
Землистый
Прелый, запах свежевспаханной земли

Прозрачность – показатель степени общей загрязненности 
воды нерастворенными и коллоидными примесями. Прозрач-
ность городских сточных вод обычно не превышает 3–5 см. Сточ-
ные воды после биологической очистки имеют прозрачность 
более 15 см. Прозрачность сточных вод определяется по шриф-
ту Снеллена по слою жидкости, налитой в градуированный ци-
линдр, в см.
Реакция среды. Сточные воды, сбрасываемые в систему водо-
отведения города, должны иметь значение рН в пределах 6,5–8,5. 
Требование обусловлено тем, что кислые и щелочные сточные 
воды разрушающе действуют на материал коллекторов и могут 
нарушать биохимические процессы очистки сточных вод.
Сухой и плотный остатки. Сухой остаток характеризует об-
щую загрязненность воды примесями, находящимися во всех 
агрегатных состояниях, его определяют из натуральной (не-
фильтрованной) пробы.
Плотный остаток характеризует суммарное количество рас-
творенных неорганических и органических веществ в сточной 
воде, его определяют из фильтрованной пробы.

Определяют выпариванием пробы на водяной бане и после-
дующим высушиванием при 105 °С. При такой обработке пробы 
теряются газы, легколетучие вещества, присутствующие в воде 
или образующиеся в результате разложения примесей.
Взвешенные вещества – показатель, характеризующий ко-
личество примесей первой группы, которое задерживается на 
бумажном фильтре при фильтровании пробы, позволяющий 
оценить количество осадков, образующихся в процессе очистки 
сточных вод. Кроме того, этот показатель используется в каче-
стве расчетного параметра при проектировании отстойников. 
Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах 
составляет 100–500 мг/л.
Оседающие вещества – часть взвешенных веществ, оседаю-
щих на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое. Для 
определения оседающих веществ используют цилиндры Лисенко 
объемом 0,5 или 1 л. Нижняя часть цилиндра представляет со-
бой пробирку с тонкой градуировкой до 0,1 мл. Количество оседа-
ющих веществ в городских сточных водах обычно не превышает 
6–7 мл/л. После 2 ч отстаивания верхнюю часть отстоявшейся 
жидкости декантируют, а нижнюю с осевшими веществами пере-
носят в стакан и определяют оседающие вещества по массе. Кон-
центрацию оседающих веществ выражают по объему (мл/л) и по 
массе (мг/л). В городских сточных водах оседающие вещества в 
среднем составляют 60–75% концентрации взвешенных веществ.  
Потери при прокаливании, зольность твердых примесей. 
Для многих технологических целей нужно знать содержание 
органической и минеральной частей твердой фазы воды. В этом 
случае высушенная твердая фаза любого определения (взве-
шенных веществ, оседающих веществ, сухого и плотного остат-
ка) подвергается прокаливанию. Прокаливание проводят при 
температуре 500–600 °С. Выгорают, т.е. улетучиваются в виде 
оксидов, углерод, водород, азот, сера и другие примеси. Оста-
ток, называемый золой, после охлаждения взвешивают. Золь-
ность – отношение массы остатка после прокаливания к массе 
первоначально взятого твердого образца, выражается в процен-
тах. Зольность взвеси городских сточных вод обычно находится 
в пределах 25–35%.
Окисляемость – это общее содержание в воде восстановителей 
органической и неорганической природы. В городских сточных 

водах подавляющую часть восстановителей составляют органи-
ческие вещества, поэтому считается, что величина окисляемости 
полностью относится к органическим примесям. В зависимости 
от природы окислителя различают химическую окисляемость, 
если при определении используют химический окислитель, и 
биохимическую, когда роль окислительного агента выполняют 
аэробные бактерии. В свою очередь химическая окисляемость 
может быть перманганатной (окислитель КMnО4), бихроматной 
(окислитель К2Cr2O4) и иодатной (окислитель КJO3). 
Перманганатная окисляемость – кислородный эквива лент 
легкоокисляемых примесей. Основная ценность этого показа-
теля — быстрота и простота определения. При анализе сточных 
вод большого значения перманганантная окисляемость не име-
ет и применяется в основном с целью получения сравнительных 
данных.
ХПК — кислородный эквивалент общего количества органи-
ческих веществ в сточной воде. Результаты определения ХПК 
бихроматным и иодатным методами очень близки, но арбитраж-
ным считается бихроматный метод определения ХПК. При опре-
делении ХПК органические вещества окисляют бихроматом 
калия в сернокислой среде. Для полноты окисления вводят ка-
тализатор — сульфат серебра. Тем не менее, такие вещества, как 
пиридин, никотиновая кислота, бензол и его гомологи, парафин 
и т.д., не окисляются. В городских сточных водах эти соедине-
ния обычно отсутствуют или концентрация их очень невели-
ка, поэтому считается, что, определяя ХПК, можно достаточно 
полно оценить степень загрязненности воды органическими ве-
ществами. Тем не менее, экспериментально определенная ХПК, 
как правило, ниже ее теоретического значения, определяемого 
по стехиометрическому уравнению окисления, если известен хи-
мический состав примесей сточной воды. Для городской сточной 
воды соотношение элементов в примесях может быть определено 
из сухого остатка. Так как исследуется органическая часть при-
месей, определяют угле род, кислород, водород, азот, фосфор, 
серу. Первые четыре элемента составляют основную массу орга-
нических веществ.
БПК — кислородный эквивалент степени загрязненности сточ-
ных вод биохимически окисляемыми органическими веществами. 
БПК определяет количество кислорода, необходимое для жизне-

деятельности микроорганизмов, участвующих в утилизации орга-
нических соединений. БПК характеризует биохимически окисля-
емую часть органических загрязнений сточной воды, находящихся 
в первую очередь в растворенном и коллоидном состояниях, а так-
же в виде взвеси (имеется в виду та часть взвешенных частиц, кото-
рая способна расщеп ляться под действием экзоферментов).
Величина БПКполн определяет практически истинный рас ход 
кислорода на процесс биохимической очистки и являет ся важ-
нейшей технологической характеристикой для любого аэробно-
го биоокислителя.
Азот находится в сточных водах в виде органических и неор-
ганических соединений. В городских сточных водах ос новную 
часть органических азотистых соединений составляют вещества 
белковой природы – фекалии, пищевые отходы. Неорганические 
соединения азота представлены восстанов ленными – NH4+ и NH3 
и окисленными формами NО2–  и NО3–. Аммонийный азот в боль-
шом количестве образуется при гидролизе мочевины – продукта 
жизнедеятельности человека. Кроме того, процесс аммонифика-
ции белковых соединений также приводит к образованию соеди-
нений аммония.
В городских сточных водах до их очистки азот в окислен ных 
формах (в виде нитритов и нитратов), как правило, отсутствует. 
Окисленные формы азота отсутствуют даже в том случае, если 
какие-либо производственные стоки при сбросе их в водоотводя-
щую сеть города имели в своем составе нитриты и нитраты. Объ-
ясняется это процессами денитрификации, активно протекаю-
щими в условиях анаэробиоза при транспортировании сточных 
вод по системе водоотведения. Нитриты и нитраты восстанавли-
ваются группой денитрифи цирующих бактерий до молекуляр-
ного азота. Окисленные формы азота могут появиться в сточной 
воде лишь после их биологической очистки, что является свиде-
тельством глубоко прошедшего процесса.
Источником соединений фосфора в сточных водах явля ются фи-
зиологические выделения людей, отходы хозяйствен ной деятель-
ности человека и некоторые виды производствен ных сточных вод.
Определение азота и фосфора в сточных водах – важней шие 
элементы санитарно-химического анализа, имеющие зна чение 
для биологической очистки. Азот и фосфор – необхо димые ком-
поненты состава бактериальных клеток. Их называ ют биогенны-