Технологические основы обработки осадков сточных вод с использованием комбинированной техники и технологий

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 

ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД 

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  

КОМБИНИРОВАННОЙ  

ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва
ИНФРА-М

2024

МОНОГРАФИЯ

УДК 628.32(075.4)
ББК 38.761.204.5
 
К86

Ксенофонтов Б.С.
К86  
Технологические основы обработки осадков сточных вод с использованием 
комбинированной техники и технологий : монография / 
Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 362 с. — (Научная 
мысль). — DOI 10.12737/2137625.

ISBN 978-5-16-019793-7 (print)
ISBN 978-5-16-112320-1 (online)
В монографии впервые в мировой практике рассмотрены вопросы интенсификации 
флотационных процессов уплотнения избыточного активного 
ила за счет использования нескольких рабочих жидкостей. В связи с этим 
подробно описываются разработанные автором способы флотации с двумя 
и тремя рабочими жидкостями, из которых одна рабочая жидкость 
с труднорастворимым газом (воздухом), а другие — с легкорастворимыми 
газами, например с углекислым газом и биогазом. При этом интерпретация 
нового эффекта выполнена на основе многостадийной модели флотации, 
разработанной автором. Этот способ был разработан, испытан и использован 
автором впервые в отечественной практике на биотехнологических 
предприятиях. Реализация этого способа представлена также в виде во-
дофлотокомбайнов с использованием двух и трех рабочих жидкостей, насыщенных 
газами с различной растворимостью в воде.
Большое внимание уделено использованию комбинированной техники 
и технологий для обезвоживания осадков сточных вод, в том числе избыточного 
активного ила, а также возможной их утилизации. Рассмотрен 
опыт обработки и утилизации осадков сточных вод для технических целей, 
например для получения строительных материалов, а также в качестве ор-
ганоминерального удобрения.
Для широкого круга читателей, в том числе научных сотрудников, преподавателей 
вузов, бакалавров, магистров, аспирантов, а также для всех, 
кто интересуется вопросами очистки сточных вод и обработки образующихся 
отходов.

УДК 628.32(075.4)
ББК 38.761.204.5

ISBN 978-5-16-019793-7 (print)
ISBN 978-5-16-112320-1 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2024

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

Р е ц е н з е н т:
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, профессор Российского 
университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы

Введение

Разработка новой техники для очистки сточных вод обусловлена 
как необходимостью повышения эффективности очистки воды, так 
и снижения удельных материало- и энергозатрат. В связи с этим 
идет постоянное совершенствование существующей и разработка 
новой водоочистной техники [1–83].
В монографии впервые в мировой практике рассмотрены вопросы 
интенсификации флотационных процессов очистки сточных 
вод и уплотнения избыточного активного ила за счет использования 
нескольких рабочих жидкостей. Отмечено, что для очистки 
сточных вод используется флотационная техника преимущественно 
напорного типа. Хотя процесс флотации известен давно, но, однако, 
принципиально новых технических решений в этой области относительно 
мало. В этой связи подробно описывается разработанный 
автором способ флотации с двумя и тремя рабочими жидкостями, 
из которых одна рабочая жидкость с труднорастворимым газом 
(воздухом), а другие — с легкорастворимыми газами, например, 
с углекислым газом и биогазом. При этом интерпретация нового 
эффекта выполнена на основе многостадийной модели флотации, 
разработанной автором. Этот способ был разработан, испытан и использован 
автором впервые в отечественной практике на биотехнологических 
предприятиях. Описаны способы и флотационные установки 
в виде водофлотокомбайнов с использованием двух и трех 
рабочих жидкостей, насыщенных газами с различной растворимостью 
в воде.
Известно, что для очистки сточных вод используется флотационная 
техника преимущественно напорного типа. При этом следует 
отметить, что процесс напорной флотации известен давно. Однако, 
принципиально новых технических решений в этой области весьма 
мало. В этой связи особый интерес, по нашему мнению, представляет 
разработанный автором в 1989–1992 гг. способ напорной флотации 
с двумя рабочими жидкостями [16], из которых одна рабочая 
жидкость с труднорастворимым газом (воздухом), а другая — с легкорастворимым 
газом, например, с углекислым газом. Этот способ 
был испытан и использован автором впервые в отечественной 
практике на биотехнологических предприятиях.
Другой пример — это направление, связанное с развитием использования 
комбинированных установок, осуществленное под руководством 
автора, начиная с 1995 года на подмосковных машиностроительных 
предприятиях.
Проведенные исследования [1] определили возможность аппаратурного 
оформления этого способа с использованием комбини-

рованной установки, названной автором флотокомбайном. Автором 
разработаны и другие способы и аппараты для флотационной 
очистки сточных вод с учетом их конкретного состава.

Развиваемое автором направление флотационной очистки с ис-

пользованием многостадийной и обобщенной моделей с применением 
разработанных флотокомбайнов находится на стадии активного 
внедрения, начиная с 90-х годов прошлого века [1]. Нынешняя 
стадия развития указанного направления связана с расширением 
внедрения разновидностей флотокомбайнов [70].

Следует отметить, что обезвоживание и утилизация осадков 

сточных вод, включая и избыточный ил, представляет достаточно 
сложную задачу. Можно констатировать, что эта задача является 
актуальной проблемой для большинства стран мира.

Особого внимания заслуживает проблема обезвоживания 

и утилизации избыточного активного ила [1–105]. По различным 
данным, ежегодно в нашей стране образуется около 3,5 млн т биомассы 
избыточного активного ила. Утилизация такого большого 
количества биомассы микроорганизмов ила требует исследования 
и развития различных направлений использования микробной биомассы 
активного ила. Проблема утилизации осадков сточных вод 
и активного ила в определенной мере сдерживается наличием в них 
токсичных примесей, в том числе тяжелых металлов, а также еще 
слабой разработанностью способов переработки этих трудно обезвоживаемых 
систем.

Большое влияние на процесс уплотнения и последующего сгу-

щения активного ила и его утилизацию оказывает режим выращивания 
микробной биомассы, а также ее предварительная подготовка 
путем использования физических и химических методов.

Уплотнение осадков сточных вод является первичной стадией 

их обработки и предназначено для уменьшения их объемов. Наиболее 
распространенный способ — гравитационное уплотнение осуществляется 
в отстойниках-уплотнителях.

Стабилизация осадков используется для разрушения биоло-

гически разлагаемой части органического вещества, что предотвращает 
загнивание осадков при длительном хранении на открытом 
воздухе (сушка на иловых площадках, использование в качестве 
сельскохозяйственных удобрений и т.п.).

Кондиционирование осадков проводят для разрушения колло-

идной структуры осадка органического происхождения и увеличения 
их водоотдачи. Применяется на практике в основном реа-
гентный метод кондиционирования.

Обезвоживание осадков сточных вод предназначено для по-

лучения осадка влажностью примерно 60–80%. Обезвоживание 
осуществляется как механическим, так и термическим способом, 

а также путем сушки осадков на иловых площадках. Механическое 
обезвоживание как наиболее дешевый способ осуществляют 
с использованием шнековых сгустителей (обезвожителей), вакуум-
фильтров, центрифуг, фильтр-прессов. Термическое обезвоживание 
с использованием сушилок различного типа.

Утилизация или ликвидация осадков сточных вод во многом 

определяются их составом и в первую очередь содержанием токсичных 
примесей, в том числе тяжелых металлов.

Указанные задачи и являются предметом изложения материала 

монографии, которая в данном случае может служить и дополнительным 
пособием по этому направлению. При этом следует 
особо отметить, что согласно СП 32.13330.2012 (Свод правил. Канализация. 
Наружные сети и сооружения) расчет сооружений для 
очистки производственных сточных вод и обработки их осадков 
следует выполнять на основании данных научно-исследовательских 
и инжиниринговых организаций, опыта эксплуатации действующих 
аналогичных сооружений с учетом настоящего свода 
правил и норм проектирования предприятий соответствующих отраслей 
промышленности.

Рассмотрение решений указанных выше задач в данной работе 

проводится с ориентацией на использование наилучших доступных 
технологий (НДТ) с учетом их постепенного освоения в РФ.

Следует отметить, что пока НДТ обсуждаются, и уточняется 

возможный порядок их использования. Во всех случаях читатель 
должен понимать, в каких случаях использовать ту или иную технологию.

Глава 1 

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ 
СТОЧНЫХ ВОД НАПОРНОЙ ФЛОТАЦИЕЙ 

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕСКОЛЬКИХ РАБОЧИХ 

ЖИДКОСТЕЙ

1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСТВОРЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВ 

В ВОДЕ

Хорошо известно, что различные газы по-разному растворяются 

в воде (табл. 1.1). Этот факт можно использовать в качестве интенсификации 
флотационного процесса. При этом этот эффект можно 
использовать не только для флотационной обработки сточных вод, 
но и уплотнения избыточного активного ила.

Таблица 1.1

Растворимость некоторых газов в воде при нормальных условиях*

Газ
Температура, °C

0
10
20
30
40
50
60

Азот
0,0236
0,0190
0,0160
0,0140
0,0125
0,0113
0,0102

Аммиак
1300
910
710
595
—
—
—

Водород
0,0215
0,0198
0,0184
0,0170
0,0164
0,0161
0,0160

Воздух
0,0288
0,0226
0,0187
0,0161
0,0142
0,0130
0,0122

Двуокись 
углерода
1,713
1,194
0,878
0,66
0,53
0,44
0,36

Кислород
0,049
0,038
0,031
0,026
0,023
0,021
0,019

Хлор
—
3,148
2,299
1,799
1,438
1,225
1,023

Хлористый
водород
507
474
442
412
386
362
339

Примечание: Растворимость выражена в м3 газа/м3 воды.
*Источник: Краткий справочник физико-химических величин / под ред. 
К.П. Мищенко и А.А. Равделя. Л.: Химия, 1974. С. 95.

Анализ данных, приведенных в табл. 1.1, показывает, что раство-

римость некоторых газов различается в несколько раз. Например, 
растворимость углекислого газа больше растворимости воздуха 
в несколько десятков раз. Это указывает на то, что процесс напорной 
флотации можно существенно интенсифицировать.

1.2. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА НАПОРНОЙ ФЛОТАЦИИ 

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Интенсифицировать процесс напорной флотацией можно также 

с помощью реагентной обработки. Используются коагулянты, флокулянты, 
ПАВ. Это позволяет увеличивать размеры агрегатов, 
повышать их гидрофобность. К недостаткам реагентной обработки 
нужно отнести увеличение количества пены, которое влечет 
за собой сложности обезвоживания и утилизации осадков.

Эту проблему частично можно решить конструкционными спосо-

бами, например, установкой после блока тонкослойного отстаивания 
или фильтра. Можно провести вторичное насыщение флотируемой 
среды газовыми пузырьками большего размера. Часто насыщение 
проводят барботированием. Но при таком способе, кроме коалесценции 
пузырьков, происходит разрушение флотоагрегатов в связи 
с созданием высокого скоростного градиента большим пузырьком.

Наибольшей эффективности в коалесценции при напорной фло-

тации удалось добиться при условиях, когда малый и большой пузырьки 
образуются непосредственно в жидкой фазе. Эти условия 
возможны, например, при использовании двух и нескольких рабочих 
жидкостей с газами разной растворимости.

Эта идея впервые была высказана Б.С. Ксенофонтовым в 1989 

году и подробно исследована в ряде его работ и особенно в монографии [
16], а в широком аспекте возможного применения защищена 
патентом [25].

Согласно данным Б.С. Ксенофонтова, при введении одной ра-

бочей жидкости, насыщенной воздухом, образуется пузырек размером 
0,01–0,05 мм в среднем. Скорость подъема таких флотоагрегатов 0,13–
0,26 мм/с. При добавления второй рабочей жидкости, насыщенной углекислым 
газом, образуется комплекс агрегат — пузырек воздуха (трудно-
растворимый газ) — пузырек углекислого газа (легкорастворимый газ). 
И пузырек углекислого газа коалесцирует через пузырек воздуха.

При таком способе флотации переход флотируемых частиц загряз-

нений в пену происходит в 2–2,5 раза быстрее. Таким образом, габариты 
флотационных аппаратов уменьшаются в 1,8 раза. Также происходит 
уплотнение пенного слоя, что подробным образом рассмотрено в работе.

Процесс напорной флотации можно интенсифицировать путем вве-

дения второй рабочей жидкости [12, 16]. Введение второго рабочего 
раствора — раствора легкорастворимого газа — приводит к повторению 
процесса образования второй фазы — газообразной. Для образования 
пузырька легкорастворимого газа также необходимо затратить энергию, 
причем большую, чем при выделении пузырька воздуха, из-за хорошей 
растворимости газа, поэтому для выделения второго газа также требуются 
центры зарождения. Поскольку мгновенно из раствора выделился 
труднорастворимый газ — воздух, его пузырьки и являются центрами 

зарождения новой газообразной фазы — легкорастворимого газа. Выделение 
из раствора легкорастворимого газа идет медленнее, чем воздуха, 
и, следовательно, занимает большее время, но при этом увеличение газовых 
пузырьков происходит плавно, и прочность их не нарушается. 
В итоге образуется флотокомплекс, представляющий собой частицу 
загрязнения, в объеме и на поверхности которой расположены газовые 
пузырьки с размерами примерно 2–3 мм.

Флотационное извлечение хлопьев активного ила можно опи-

сать, используя многостадийную модель Ксенофонтова. Процесс 
флотационного извлечения имеет три состояния: A, B, C.

Состояние А — находящиеся в объеме жидкости хлопья актив-

ного ила и пузырьки не связаны и не контактируют. На первой 
стадии происходит контакт хлопка с пузырьком газа. В процессе слипания 
образуется флотокомплекс хлопок — пузырек (состояние В), 
который всплывает за счет архимедовых сил. Всплывшие в верхнюю часть 
жидкости флотокомплексы образуют пенный слой (сос тояние С). При 
этом возможны переходы не только из состояния А в состояние В и далее 
в состояние С, но и обратные переходы, соответственно, из состояния 
С в состояние В и далее в состояние А. При таком подходе к изучению 
флотационного извлечения и разделению всего процесса на три состояния, 
в общем, весь процесс можно описать следующей системой уравнений: 

 

1
2
5
6

1
2
3
4

5
6
3
4

;

;

,

A

A
B
C
A

B

A
B
B
C

C

C
A
B
C

dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt


= −
+
+
−


=
−
−
+



= −
+
+
−


  
(1.1)

где СА, СВ, СС — концентрации активного ила, соответственно, в состояниях 
А, В, С;

k1, k2 — константы скорости перехода из состояния А в состояние 

В и обратно;

k3, k4 — константы скорости перехода из состояния В в со-

стояние С и обратно;

k5, k6 — константы скорости перехода из состояния С в со-

стояние А и обратно.

Определение кинетических констант флотационного процесса 

k1 — k6 является достаточно сложной задачей, однако именно они 
позволяют проводить подробные исследования и выполнять научно 
обоснованные расчеты аппаратов. Расчет констант при флотации 
с использованием двух рабочих жидкостей.

Для всех констант, кроме k1, Б.С. Ксенофонтовым были предло-

жены выражения для их вычисления. Константа k1 характеризует 
процесс образования флотокомплекса частица — пузырек в самый 

начальный момент его зарождения — процесс захвата пузырьком 
хлопка активного ила. Математическая зависимость для определения 
константы k1 для метода напорной флотации в литературе отсутствует, 
поэтому приближенно ее можно определить из формулы:

 
1
E
k
= K t
⋅
,  
(1.2)

где K — коэффициент пропорциональности, Е — вероятность образования 
флотокомплекса, t — время, с. Поскольку метод напорной 
флотации отличается высокой вероятностью образования флото-
комплексов, то

 
1
E ≈ .  
(1.3)

Выражение для определения константы k1 можно представить 

также в виде:

 
1
1
k
= K t
⋅
.  
(1.4)

В случае сгущения активного ила с использованием двух рабочих 

растворов образование флотокомплекса происходит так же, как и в традиционном 
методе напорной флотации. При высокоскоростном истечении 
струи водовоздушной смеси из сатуратора во флотокамеру 
за счет резкого перепада давления из жидкости выделяется воздух. 
Этот воздух в виде микропузырьков зарождается на хлопьях активного 
ила. Раствор легкорастворимого газа оказывает свое влияние на рост 
газового пузырька значительно позже — именно тогда, когда уже 
образовался комплекс частица — пузырек воздуха. Это подтверждают 
и опыты, в которых во флотокамеру в разной последовательности вводились 
насыщенные растворы газов с различной растворимостью [19]. 
Если в камеру флотации сначала подать раствор воздуха, а затем раствор 
легкорастворимого газа, то процесс флотации начинается мгновенно 
и постепенно ускоряется. То же самое наблюдается при одновременной 
подаче газов. Если же в первую очередь во флотокамеру подать 
раствор легкорастворимого газа, а только затем раствор воздуха, то процесс 
флотации начнется только после подачи раствора воздуха. Эти 
эксперименты подтверждают то, что в начальный момент из растворов 
выделяются труднорастворимые газы. Таким образом, видно, что на начальной 
стадии легкорастворимый газ не оказывает никакого влияния 
на процесс слипания частицы с пузырьком. Это означает, что константа 
k1 не изменяется в результате использования второго рабочего раствора.

Константа k2 характеризует разрушение комплексов частица — 

пузырек. Для анализа процесса разрушения комплекса необходимо 
исследовать уравнение баланса сил, действующих на пузырек:

1
2
F
F
m g
f
=
+
ч +
,  
(1.5)

F1, F2 — капиллярные силы соответственно прилипания и отрыва; 
mчg — масса частицы; f — гидродинамическая сила отрыва. Константу 
k2 можно определить из соотношения [66]:

 

2

2
p
m
d M
k
n
G
EN
τ
= ρν
,  
(1.6)

где G — градиент скорости; Е — эффективность захвата хлопьев активного 
ила всплывающим пузырьком газа; N — параметр, характеризующий 
прочность связи между хлопьями и пузырьком газа; 
М — отношение диаметра хлопка к диаметру пузырька; d — диаметр 
частицы активного ила; ν — кинематическая вязкость суспензии; 
n — концентрация флотокомплексов частица — пузырек; ρ — плотность 
жидкости; р, m — коэффициенты (1 ≤  р ≤  2; m = 2/3). Поскольку 
эффективность образования флотокомплексов близка 
к 100%, то выражение (1.6) может быть представлено в виде:

 

2

2
p
m
d M
k
n
G
N
τ
= ρν
. 
(1.7)

При напорной флотации во флотокамере обстановка спокойная, 

режим ламинарный из-за медленных скоростей подъема микропу-
зырьков, поэтому k2 стремится к нулю. Экспериментальные исследования 
показывают, что после введения раствора углекислого 
газа и выделения самого газа увеличиваются пузырьки, входящие 
в состав флотокомплексов, в несколько раз и соответственно увеличиваются 
скорости подъема. N — параметр, характеризующий прочность 
связи между частицей и пузырьком газа уменьшается, М — 
отношение диаметра частицы к диаметру пузырька увеличивается. 
В этом случае константа k2 может несколько возрастать по сравнению 
с обычным режимом флотации. При этом определить новое 
значение константы достаточно сложно из-за отсутствия данных, 
характеризующих гидродинамическую обстановку вблизи растущего 
пузырька и движущегося флотокомплекса. В формулу (1.7) 
входит значение градиента скорости, естественно, при увеличении 
турбулентности среды возрастет и сам градиент скорости G, оказывающий 
наибольшее влияние на поведение константы k2, но количественно 
оценить это увеличение очень сложно.

Константа k3 характеризует транспорт комплексов частица — пу-

зырек из жидкости в пенный слой и определяется с помощью соотношения

 

3

v
k
h
=
под ,  
(1.8)