Проектирование четырехэтажного промышленного здания

Б. Г. Мишуков, С. Ю. Игнатчик, В. С. Игнатчик

Б. Г. МИШУКОВ, С. Ю. ИГНАТЧИК, В. С. ИГНАТЧИК

ОЧИСТКА ГОРОДСКИХ
СТОЧНЫХ ВОД

ОЧИСТКА ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД

2

3

Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет

Б. Г. МИШУКОВ, С. Ю. ИГНАТЧИК, В. С. ИГНАТЧИК

ОЧИСТКА ГОРОДСКИХ
СТОЧНЫХ ВОД
Курс лекций

Санкт-Петербург
2014
1

УДК 628
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Ю. А. Феофанов (СПбГАСУ),
д-р техн. наук, профессор Н. А. Черников (ПГУПС)

Мишуков, Б. Г.
Очистка городских сточных вод: курс лекций / Б. Г. Мишуков, С. Ю. Игнатчик, В. С. Игнатчик; СПбГАСУ. – СПб.,
2014. – 196 с.
ISBN 978-5-9227-0524-0
В мировой теории и практике в последние годы изменились требования
к качеству очищенной воды. Приоритетными стали задачи глубокого изъятия
соединений азота и фосфора для предотвращения эвтрофикации водных объектов. Новые разработки базируются на общих принципах физикохимических и биолого-химических процессах что предопределило хронологическое освещение формирования и развития систем очистки стоков и обработки осадков. В пособии приведены результаты работы современных очистных станций Санкт-Петербурга и пригородов, признанных в качестве наиболее современных доступных технологий, обладающих признаками эффективных и перспективных направлений будущего.
Пособие предназначено для студентов специальности «Водоснабжение
и водоотведение» 270112.65, включая бакалавров и магистров.
Ил. 32. Табл. 19. Библиогр.: 6 назв.

Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве курса лекций.

ISBN 978-5-9227-0524-0

Лекция 1. РАСХОД И СОСТАВ СТОЧНЫХ ВОД
1.1. Расход воды в системах водопотребления и водоотведения
Годовой объем поступающих сточных вод от средних и крупных поселений включает:
• хозяйственно-бытовые стоки – 60–70 %;
• производственные стоки – 10–15 %;
• дождевые и талые воды – 7–8 %;
• инфильтрационные воды – 10–15 %.
В болотистой местности, при высоком уровне стояния грунтовых вод и изношенных сетях водоотведения объем инфильтрационных вод возрастает до 20 % от годового стока.
Расчетный (средний за год) суточный расход воды Q сут.т , м3/сут,

на хозяйственно-питьевые нужды в населенном пункте следует определять по формуле
Q сут.т = q ж N ж / 100 ,
(1.1)

где qж – удельное водопотребление, принимаемое по табл. 1 [10]; Nж
– расчетное число жителей в районах жилой застройки с различной
степенью благоустройства.
Расчетные расходы воды в сутки наибольшего и наименьшего
водопотребления Qсут.т, м3/сут, следует определять:

Qсут.max = K сут.max Qсут.т

.

Qсут.min = K сут.min Qсут.т

(1.2)

Коэффициент суточной неравномерности водопотребления
Kсут, учитывающий уклад жизни населения, режим работы предприятий, степень благоустройства зданий, изменения водопотребления по сезонам года и дням недели, принимать равным:
 Б. Г. Мишуков, С. Ю. Игнатчик, В. С. Игнатчик, 2014
 Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2014

2

K сут.max = 1,1 – 1,3; K сут.min = 0,7 – 0,9.

3

Согласно СП 31.1330.2012 удельное среднесуточное (за год)
водопотребление составляет 125–160 л/сут на одного жителя
при отсутствии ванн, 160–230 при наличии водонагревателей
и 220–280 л/чел. ⋅ сут для мест с горячим водоснабжением. Суточный расход водопроводной воды (максимальные величины) повышается в 1,1–1,3 раза. Естественно, что большое превышение характерно для малых поселений и меньшее – для крупных и средних
городов. Предлагается изменение Kсут, представленное в табл. 1.1.
Таблица 1.1

Численность жителей, тыс. чел.
10

20

50

100

300

1.24 1,20 1,16

1,13

1,09

1,07

1,04

1,02

1000
и более
1,02

0,72 0,74 0,76

0,77

0,79

0,84

0,86

0,87

0,9

1,5

2,5

Kсут.max

1,3

Kсут.min

0,7

4

6

3

Расчетные часовые расходы воды qч, м /ч, должны определяться по формулам
Q ч.max = K ч.max Q сут.max / 24
.
(1.3)

Q ч.min = K ч.min Q сут.min / 24
Коэффициент часовой неравномерности водопотребления Kч
следует определять из выражений

 K ч.max = αmax βmax
,

 K ч.min = αmin βmin

(1.4)

где α – коэффициент, учитывающий степень благоустройства зданий, режим работы предприятий и другие местные условия, принимаемые αmax = 1,2–1,4; αmin = 0,4–0,6; β – коэффициент, учитывающий число жителей в населенном пункте, принимаемый по табл. 1.2.
Возможно связать часовые и суточные максимальные коэффициенты неравномерности общей зависимостью такого типа

lg K сут.max = 0,45 lg K час. max .

4

(1.5)

Таблица 1.2
Значение коэффициента β в зависимости от численности жителей

βmax
βmin

1,5

2,5

4

1,8
0,1

1.6
0,1

1,5
0,2

Численность жителей, тыс. чел.
6
10
20
50 100 300
1,4
0,25

1,3
0,4

1,2
0,5

1,15
0,6

1,1
0,7

1,05
0,85

1000
и более
1
1

Примечания.1. Коэффициент β при определении расходов воды для
расчета сооружений, водоводов и линий сети следует принимать в зависимости от численности обслуживаемых жителей, а при зонном водоснабжении –
от численности жителей в каждой зоне.
2. Коэффициент βmax следует принимать при определении напоров на
выходе из насосных станций или высокого положения башни (напорных резервуаров), необходимого для обеспечения требуемых свободных напоров
в сети в периоды максимального водоотбора в сутки максимального водопотребления, а коэффициент βmin – при определении излишних напоров в сети
минимального водоотбора в сутки минимального водопотребления.

Например, при Kсут.max= 1,8 значение Kчас.max составит 1,3.
Среднегодовой расход дождевых и талых вод определяется по
формулам:
Wд = 10hдΨдF м3/сут;
(1.6)
Wт = 10hтΨтF, м3/сут.

(1.7)

Значения слоя осадков hд и hт, коэффициентов стока Ψд и Ψт
определяются по [11]. F – площадь бассейна стока, га.
Суточные расходы дождевых и талых вод рассчитываются по
формулам (1.6) и (1.7) с заменой hд и hт на соответствующие значения слоя осадков hа и hт (мм/сут).
Для расчета принимаются интенсивные дожди с периодом однократного превышения примерно 0,05–0,1.
Расход инфильтрационных вод оценивается по площади бассейна стока и удельному расходу (л/с с 1 га), принимаемому равным 0,05 л/с для районов с благополучным инженерным обустройством, 0,1 л/с для обычных районов и 0,15 л/с для районов с изношенными сетями. В последнем случае должен быть составлен план
реновации сетей и сооружений. Для Санкт-Петербурга рекомендова5

но среднее значение удельного расхода 0,06–0,07 л/с с 1 га [21]. Для
расчета учитываются площади стока с плотной жилой застройкой.
Вероятность поступления суточных расходов сточных вод
описывается распределением их в генеральной выборке данных (за
срок не менее трех лет).
Пример такой выборки (гистограммы расходов) для Северной
станции аэрации (ССА) и Юго-Западных очистных сооружений
(ЮЗОС) показан на рис. 1.1.
Отметим характерные участки: левую часть (3–5 % от общего
числа наблюдений) с низкими расходами, центральную часть графика (70–80 % измерений) и правую часть (10–15 %), которая отличается нарастанием расхода до предельных и запредельных значений. Малые расходы обусловлены техническими причинами (отключение горячей и холодной воды) и могут не рассматриваться
как лимитирующая величина. Центральная часть является отличительным признаком индивидуального изменения водопотребления
населением. Правая часть отображает природно-климатические явления данной местности (интенсивные дожди, затопление территорий и т. п. случаи). Слабоинтенсивные дожди включаются в объем
стока от населения, поскольку их влияние на расход стоков зафиксировать и оценить довольно сложно.

1

Центральная часть гистограммы расходов может быть выражена в виде прямой линии с пересечением оси ординат. Слева,
в точке пересечения, будет теоретический минимальный расход воды в сухую погоду, справа – теоретический максимальный. Это
и есть максимальный расход сточных вод от поселения в сухой период, в частности в праздничные дни.
Нарастание расхода дождевого стока происходит по степенной
зависимости при переменных значениях hа, ψ и F. Индивидуальная
характеристика поступления дождевого и талого стока составляется
по данным многолетних измерений.
В практике проектирования комбинированных систем водоотведения принято назначать основные значения расходов, а именно:
минимальный теоретический расход Qmin, средний расход Qср
(включая годовой объем дождевых и талых вод), максимальный
сух

расход бытовых стоков в сухой период Q max , максимально допуссм

тимый расход смеси дождевых и бытовых вод Q max , предельно додоп

пустимый расход сточных вод Q max , приводящий к затоплению
территорий.
В системах водоотведения коэффициенты неравномерности
назначаются следующим образом (табл. 1.3). Различают Kmax и Kmin
при обеспеченности расхода 1 и 5 %. Расход однопроцентной обеспеченностью предполагает увеличение или уменьшение расхода
в течение одной недели, или примерно 52 раз в год, то есть из обдоп
щей массы выборки 14 % измерений. Это расходы Q max . Обеспеченность 5 % предполагает изменение расхода 1 раз в сутки, то есть
сух

Рис. 1.1. Гистограмма значений расходов сточных вод,
поступающих на ССА (1) и ЮЗОС (2)

ежедневное изменение в пределах обеспеченности до Q max [11].
Более важным является максимальный расход, поэтому сосредоточим внимание на его определении. Максимальные коэффициенты неравномерности в определенной зависимости отражают условия работы всей системы водоотведения и могут быть конкретизированы.
Исследования гидрографов притока на очистных станциях
Санкт-Петербурга и его пригородов показали, что возможно отобразить суточный расход смеси дождевых и бытовых сточных вод
в виде зависимости

6

7

2

где Q сум

 ha  n g
(1.8)
Qсум / Qсух =   ,
 h1 
и Qсух – суммарные суточные расходы смеси стоков и то

же в сухую погоду; hа – слой осадков, мм/сут; h1 – осадки, не образующие стока (∼ 1 мм/сут); ng – показатель степени, отражающей
изменения ha, ψ и F во время дождя. По результатам исследований
на больших и малых по площади бассейнах стока ng = 0,25–0,3, на
крупных (ЦСА, ССА) – 0,2–0,23.
Таблица 1.3
Расчетные общие максимальные и минимальные расходы сточных вод
с учетом суточной, часовой и внутричасовой неравномерности
Общий коэффициент неравномерности притока
сточных вод

Средний расход сточных вод, л/с
5

10

20

50

100

300

500

5000
1000 и более

Максимальный
при 1%-ной обес- 3,0 2,7 2,5 2,2 2,0 1,8 1,75 1,7
1,6
печенности
Минимальный
при 1%-ной обес- 0,2 0,23 0,26 0,3 0,35 0,4 0,45 0,51 0,56
печенности
Максимальный
при 5%-ной обес- 2,5 2,1 1,9 1,7 1,6 1,55 1,5 1,47 1,44
печенности
Минимальный
при 5%-ной обес- 0,38 0,46 0,5 0,55 0,59 0,62 0,66 0,69 0,71
печенности
Примечания. 1. Общие коэффициенты притока сточных вод, приведенные в таблице, допускается принимать при количестве производственных
сточных вод, не превышающем 45 % общего расхода.
2. При средних расходах сточных вод менее 5 л/с максимальный коэффициент неравномерности принимается 3.
3. Обеспеченность 5 % предполагает возможное увеличение (уменьшение) расхода в среднем 1 раз в течение суток, 1 % – 1 раз в течение 5–6 суток.

Часовые расходы возможно назначать по справочнику [20],
согласно табл. 1.4.

8

Таблица 1.4
Распределение среднесуточного расхода бытовых сточных вод по часам
суток в зависимости от общего коэффициента неравномерности водоотведения Kобщ

Часы
суток
0–1
1–2
2–3
3–4
4–5
5–6
6–7
7–8
8–9
9–10
10–11
11–12
12–13
13–14
14–15
15–16
16–17
17–18
18–19
19–20
20–21
21–22
22–23
23–24

1,8
1,25
1,25
1,25
1,25
1,25
3,3
5
7,2
7,5
7,5
7,5
6,4
3,7
3,7
4
5,7
6,3
6,3
6,3
5,25
3,4
2,2
1,25
1,25

Расход бытовых сточных вод, %, при Kобщ
1,6
1,4
1,35
1,25
1,2
1,55
1,65
1,85
2
2,25
1,55
1,65
1,85
2
2,25
1,55
1,65
1,85
2
2,25
1,55
1,65
1,85
2
2,25
1,55
1,65
1,85
2
2,25
4,35
4,2
4.8
5,05
4,9
5,95
5,8
5
5,15
4,9
5,8
5,8
5
5,15
5
6,7
5,85
5,65
5,2
5
6,7
5,85
5,65
5,2
5
6,7
5,85
5,65
5,2
5
4,8
5,05
5,25
5,1
5
3,95
4,2
5
5
4,8
5,55
5,8
5,25
5,1
5
6,05
5,8
5,65
5,2
5
6,05
5,8
5,65
5,2
5
5,6
5,8
5,65
5,2
5
5,6
5,75
4,85
5,15
5
4,3
5,2
4,85
5,1
5
4,35
4,75
4,85
5,1
5
4,35
4,1
4,85
5,1
5
2,35
2,85
3,45
3,8
4,5
1,55
1,65
1,85
2
2,4
1,55
1,65
1,85
2
2,25

1,15
2,6
2,6
2,6
2,6
2,6
4,8
4,8
4,8
4,8
4,8
4,8
4,8
4,7
4,8
4,8
4,8
4,8
4,7
4,8
4,8
4,8
4,8
3
2,6

Например, для ССА нарастание стока при изменении ha будет
таким (рис. 1.1 и табл. 1.5).
На основе ожидаемой погоды по данным метеослужбы может
быть составлен прогноз поступления массы сточных вод и разработан план мероприятий по очистке стоков. Более точную информацию можно получить при установке радаров, определяющих запас
воды в надвигающихся облаках.

9

В период выпадения дождей за 6–8 ч резко вырастает расход
смеси дождевых и талых вод. В табл. 1.6 приведены данные [21] по
коэффициентам часовой неравномерности поступления стоков от
дождей и снеготаяния в указанном промежутке времени суток.
Qсум/Qсух

Таблица 1.6
Опытно-эксплуатационные значения среднечасового притока в период
дождей и снеготаяния (Qсум/Qсух) различной обеспеченности

ha/h1

Рис. 1.1. Увеличение суммарного расхода сточных вод в зависимости
от слоя осадков в неблагоприятный период
Таблица 1.5
ha,
5
6
7
8
9
10
12
15
17
20 25
мм/сут
Qсум/Qсух 1,45 1,51 1,56 1,61 1,65 1,68 1,77 1,86 1,92 1,99 2,1

По данным прогноза суточного количества поступающих
сточных вод могут быть определены расходы в час притока наибольшей массы воды в течение 6–8 часов. В табл. 1.6 приведены
опытно-эксплуатационные значения среднечасового притока в период дождей и снеготаяния (Qсум/Qсух) при различной обеспеченности [20].
Коэффициент Kобщ, представляющий собой отношение максимального часового расхода в сутки наибольшего водоотведения к
среднему часовому расходу среднесуточного водоотведения. Его
получают перемножением коэффициентов суточной и часовой неравномерности: Kобщ = KсутKч.
Расход сточных вод в системах будет превышать расход водопроводной воды за счет притока дождевых, талых и инфильтрационных стоков.
10

Суточное
(Qсум/Qсух)
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8

Значения (Qсум/Qсух) при обеспеченности, %
5
10
20
40
1,40–1,30
1,35–1,25
1,30–1,20
1,45–1,15
1,50–1,45
1,45–1,40
1,50–1,35
1,45–1,30
1,75–1,55
1,70–1,50
1,65–1,46
1,60–1,50
1,90–1,65
1,85–1,62
1,80–1,68
1,75–1,62
2,05–1,76
2,00–1,72
2,00–1,72
1,85–1,60
2,15–1,82
2,10–1,80
2,05–1,77
2,00–1,70
2,25–1,92
2,20–1,90
2,13–1,87
2,10–1,80
2,30–2,00
2,25–1,98
2,20–1,95
2,15–1,90

Примечание. В первом столбце графы «Значения (Qсум/Qсух)» приведены величины среднечасового притока в период дождей, во втором – в период
снеготаяния. В качестве расчетных расходов сточных вод предлагается принимать значения 20%-ной обеспеченности.

1.2. Состав сточных вод
1.2.1. Показатели состава сточных вод
Примерная классификация показателей состава сточных вод:
• физические (органолептические);
• санитарно-химические;
• бактериологические;
• специфические и специальные.
К физическим показателям относятся температура воды, мутность, цвет и окраска по разбавлению, запах. Эти показатели позволяют идентифицировать вид стока (бытовой, поверхностный, промышленный).
Группа санитарно-химических анализов включает: pH
(и окислительно-восстановительный потенциал); концентрацию
взвешенных веществ; ХПК, БПК5 и БПКn; соединения азота и фосфора; хлориды; СПАВ.
11

Бактериологические показатели ограничены общим микробным числом (ОМЧ), количеством сапрофитных и термотолерантных палочек Коли, вирусологическим показателем коли-фагом.
Другие показатели инфекции относятся к полномочиям медицинских учреждений.
Специфические промышленные показатели относятся к составу промстоков, поступающих в городскую сеть после локальной
очистки. Основные виды загрязнений: нефть и нефтепродукты;
СПАВ; соли тяжелых цветных металлов; красители; жиры пищевые
и масла технические; вещества основного химического и технологического процесса промпредприятий. Специальный контроль устанавливается по радиоизотопам, ядохимикатам, опасным биологическим препаратам.
Большинство показателей определяется по международным
или отраслевым стандартным методикам.
1.2.2. ХПК и БПК
Химическая потребность в кислороде (атомарном) подразумевает стандартное определение с использованием окислителя бихромата калия K2Cr2O7 (бихроматный метод). Пробу сточных вод
в кислой среде (добавка H2SO4) c добавкой бихромата калия кипятят 2 ч, после чего оттитровывают остаток окислителя. При наличии трудноокисляемых промстоков добавляют катализаторы. Проводят параллельный «холостой» опыт (без добавки сточных вод).
Вычисляют поправку на окисление хлоридов до Cl2O3 (0,23 мг O2
на 1 мг хлоридов). Затраченный атомарный кислород (при переходе
K2Cr2O7 в K2Cr2O4) и является ХПК.
В среднем жиры и нефтепродукты потребляют 2,4–2,7 мг O2
на 1 мг вещества, белки и углеводы 1,12 мг/мг, вещества промежуточной структуры 1,74 мг/мг. Если обозначить органические вещества загрязнений в виде формальной схемы содержания элементов
CxHyOzNkP, то окисление их можно представить так:
Сх HyОz
СО2

Н2О

12

Nk P

Следовательно, ХПК представляет собой потребление кислорода на окисление углерода и водорода за вычетом внутреннего содержания химически связанного кислорода и части водорода, связанного с азотом. Формально соединения азота и фосфора не входят в показатель ХПК. Элементная формула загрязнений C120Н20
О50N11P.
Биохимическая потребность в кислороде (молекулярном)
трактуется как потребление растворенного в воде кислорода бактериями, окисляющими органические вещества загрязнений, без учета потребления его на процессы окисления азота (нитрификацию).
Проба сточных вод, содержащих от 106 до 1012 клеток бактерий в 1 л
стоков, разбавляется чистой водой в таком соотношении, чтобы
растворенного в чистой воде кислорода (9 мг/л при 20 °С) хватило
бы на дыхание микробов с некоторым остатком (2–3 мг/л). Упрощенно считают, что расходуемый запас O2 составляет 5 мг/л. Следовательно, необходимо разбавить исходные стоки в n раз:
+
αХПК
,
n = V 1 V 2 = БПКож =
5
5
V1
где V1 и V2 – объем пробы и чистой воды; БПКож – ожидаемое значение БПК, определяемое из установившегося соотношения между
БПК и ХПК.
При температуре 20 °C экспозиция длится либо 5 суток
(БПК5), либо 15–20 суток до начала нитрификации. Нитрификацию
можно затормозить (ингибировать) добавлением аллилтиомочевины.
Полное значение БПК иногда обозначают как БПК20. БПК обычно
ниже, чем ХПК, так как часть органических веществ трансформируется в прирост бактерий (в биомассу), минуя окисление.
Изменчивость значений показателей. Содержание загрязнений в сточных водах зависит от уклада жизни и благосостояния населения. Усвояемость пищи и количество твердых и жидких отходов меняется по сезонам года и существенно зависит от обеспеченности людей продуктами питания. Наибольшее количество загрязнений наблюдается в странах с высокоразвитой экономикой, наименьшее – в слаборазвитых странах и регионах. За исключением
двух-трех государств, все европейские государства относятся к разряду стран со среднеразвитой экономикой, с небольшими отличиями состава сточных вод. На рис. 1.2 в качестве примера отображена
13

вероятность появления той или иной концентрации загрязнений
в поступающих на ССА сточных водах.

тические концентрации загрязнений в сухую погоду ( C хб
max – справа). Минимальные значения в диапазоне F = 0–5 % представляют
собой внештатные ситуации.
1.2.3. Масса поступающих загрязнений
Масса загрязнений представляет собой произведение расхода
сточных вод (Qгод, Qсут, Qч) на концентрацию загрязнений Ci (г/м3),
соответствующую диапазону изменения расхода.
Среднесуточная среднегодовая масса:

1
2
3

4
5
6

7

М сг =

Qгод C ср
год
365

Суточная масса в текущий момент времени t:
t

Рис. 1.2. График изменения показателей состава сточных вод, поступающих
на ССА: 1 – взвешенные вещества (1:20); 2 – ХПК (1:50); 3 – БПК (1:30);
4 – азот общий (1:8); 5 – азот аммонийный (1:6); 6 – фосфор общий (1:3);
7 – фосфор фосфатов (1:2); в скобках обозначен масштаб значений показателей

Обратим внимание на относительно монотонный рост значений показателей в диапазоне обеспеченности (вероятности) от 10
до 80–85 %. Это естественные колебания, обусловленные укладом
жизни (антропогенные причины колебаний).
Правая часть графика отражает природно-климатические явления: смыв загрязнений с поверхности территорий, транспорт накопившихся в сети отложений в междождевой период, поступление
загрязненных талых вод и т. п. Соотношение значений при F = 10
и F = 80–90 % представляет собой размах колебаний состава сточных вод, а при F = 50 % – среднее значение концентрации загрязнений. Центральную часть линий изменения концентраций можно
представить прямой линией, которая пересекает оси ординат при
F = 0 и F = 100 %. Слева пересечение означает концентрацию для
хб
хозбытового стока в сухую (малодождливую) погоду C min . При
хб

F = 50 % достигается C ср , а при F = 80–85 % – максимальные фак14

10– 3 кг/сут.

t

М t = Q сут С ср ⋅ 10

–3

кг/сут.

Продолжительность периода наблюдений t может быть месяцем, декадой, неделей, или до 5–6 суток в неделе. В зарубежной
практике, например, используются показатели БПК7, которые определяются в дни от понедельника до пятницы.
В отечественной практике наиболее часто применяется декадная отчетность, т. е. масса загрязнений среднедекадная, по статистике которой складываются месячные, сезонные и годовые
данные.
Приведенные ранее гистограммы расходов и концентраций
стока показывают вероятность появления того или иного загрязнения, но не во взаимосвязи между собой, т. е. Qi и Ci определены не
в одном и том же промежутке времени.
В диапазоне от 80–85 % до расчетного дождевого стока концентрация загрязнений слабо зависит от расхода, и поэтому возможно принять среднюю массу загрязнений в дождевой период по
средней концентрации.
При этом следует учитывать, что после длительного периода
нахождения загрязнений в сети сильные дожди смывают максимальное количество загрязнений в течение 1–2 сут, после чего концентрация снижается (разбавление дождевой и талой водой).
15

1.3. Показатели качества очищенной воды
Показатели качества очищенной воды могут быть назначены
по индивидуальным расчетам, по региональным, государственным
и международным нормативам.
Индивидуальные местные показатели определяются по действующей Методике Минприроды [5] в соответствии с самоочищающей способностью водного объекта-приемника сбросных вод. Для
консервативных веществ нормативно допустимый сброс (НДС)
рассчитываем по формуле
НДС = q · Cндс,

(1.9)

где q – максимальный часовой расход сточных вод, м3/ч; Cндс – допустимая концентрация, г/м3.
Сндс = n(Cпдк –Сф) + Сф,

(1.10)

где Cпдк – предельно допустимая концентрация загрязнения по нормам Минрыбхоза или Минздрава РФ, г/м3; Сф – фоновая концентрация вещества, г/м3; n – кратность общего разбавления, n = nн ·×
× nосн, где nн и nосн – начальное и основное разбавление сточных вод
в водном объекте. Обычно фоновая концентрация определяется на
расстоянии 1000 м вверх по течению (для водотоков) от места
сброса стоков.
Если вещество-загрязнитель поддается окислению (неконсервативность вещества), то Сндс определяется по формуле
Сндс = n(Cпдк · еkt – Сф) + Сф,

(1.11)

где k – коэффициент неконсервативности веществ, 1/сут; t – продолжительность протока воды от места выпуска до контрольного
створа, сут.
Контрольный створ назначен в виде расстояния от места выпуска не более 500 м вниз по течению, но может уменьшаться при
наличии на этом участке уязвимых зон (нецентрализованное водопользование, места выгула рыбной молоди и т. п.).
Легко убедиться, что формула (1.11) является повтором формулы (1.10) с разницей в 1–2 %.
16

При такой разнице формулы (1.10) и (1.11) идентичны.
Формулы для расчета n приведены в [5]. При выборе места
выпуска сточных вод следует руководствоваться указаниями Водного кодекса [2].
Региональные нормативы могут быть назначены решениями
Законодательных собраний регионов, но не должны быть более жесткими, нежели государственные (уменьшение допустимых концентраций).
Поскольку Cпдк санитарно-гигиенического типа водопользования отличаются от таких же показателей рыбохозяйственного типа
водопользования, то для расчета выбирается наименьшее значение.
Государственные нормативы назначаются одинаковыми (осредненными) значениями на всей территории государства (либо
группы государств) в соответствии с общемировыми тенденциями
и правилами охраны окружающей среды. В Северо-Западном регионе России приняты общероссийские правила сброса сточных
вод согласно Конвенции по защите вод Балтийского моря от загрязнения. Руководство этой работой проводит Хельсинская комиссия (Хелком), которая разрабатывает Рекомендации по достижению
нормативов качества сбросных вод.
Рекомендации Хелком градуированы по числу эквивалентных
жителей, определяемых по удельному количеству загрязнений по
БПК5 60 г/чел.⋅сут. Нормативы качества сбрасываемых вод даны
как среднегодовые значения с допустимой максимальной величиной.
Первая группа поселений с числом жителей от 300 до 2000 человек:
• снижение БПК5 не менее чем на 80 %, максимальная концентрация 25 мг/л;
• снижение общего фосфора Робщ минимум на 70 %, максимальная концентрация 2 мг/л;
• снижение общего азота Nобщ на 35 %, максимальная концентрация 35 мг/л.
Вторая группа с населением от 2000 до 10 000 человек:
• снижение БПК5 не менее чем на 80 %, максимальная концентрация 15 мг/л;
• снижение Робщ на 80 %, максимальная концентрация 1 мг/л;
• снижение Nобщ не менее чем на 30 %.
17

Третья группа – от 10 000 до 100 000 человек:
• снижение БПК5 на 80 %, максимально до 15 мг/л;
• снижение Робщ на 90 %, максимально 0,5 мг/л;
• снижение Nобщ на 70–80 %, максимальное значение 15 мг/л.
Четвертая группа, население более 100 000 человек:
• снижение БПК5 минимально 80 %, максимальная концентрация 15 мг/л;
• снижение Робщ на 90 %, максимальное значение 0,5 мг/л;
• снижение Nобщ на 70–80 %, максимальное значение 10 мг/л.

Максимальное допустимое значение
Единица показателя и
измере- (или) конценния
трации в натуральной
пробе сточных вод
1
2
3
I. Нормативные показатели общих свойств сточных вод и допустимые концентрации загрязняющих веществ в сточных водах, допущенных к сбросу в централизованные общесплавные и бытовые
системы водоотведения
1 Реакция среды (pH)
ед.
6,0–9,0
2 Температура
°C
+40

Продолжение табл. 1.7
1
2
3
3 Минерализация (плотный остаток)
мг/дм3
3000
4 Жиры (растворенные и эмульгированные)
мг/дм3
50
5 Нефтепродукты (растворенные и эмульгимг/дм3
10
рованные)
6 Летучие органические соединения (ЛОС) (в
мг/дм3
20
том числе толуол, бензол, ацетон, метанол,
бутанол, пропанол, их изомеры и алкилпроизводные по сумме ЛОС)
7 Сульфиды (S-H2S+S2-)
мг/дм3
1,5
8 Кратность разбавления, при которой исчеза–
11
ет окраска в столбике 10 см
9 Хлор и хлорамины
мг/дм3
5,0
10 Индекс токсичности
ед.
50
11 Соотношение ХПК: БПК5
–
2,5*
12 Взвешенные вещества
мг/дм3
300
13 БПК5
мг/дм3
300
14 ХПК
мг/дм3
500
15 Азот (сумма азота органического и азота
мг/дм3
50
аммонийного)
16 Фосфор общий (Робщ)
мг/дм3
12
17 СПАВ анионные
мг/дм3
10
18 Фенолы (сумма)
мг/дм3
0,25
19 Сульфаты (SO42–)
мг/дм3
300
20 Хлориды (Cl–)
мг/дм3
1000
21 Алюминий (Al)
мг/дм3
3
22 Железо (Fe)
мг/дм3
3
23 Марганец (Mn)
мг/дм3
1
24 Медь (Cu)
мг/дм3
0,5
25 Цинк (Zn)
мг/дм3
1,0
26 Хром общий (Cr(III) + Cr(VI))
мг/дм3
0,5
27 Хром Cr(VI)
мг/дм3
0,05
28 Никель (Ni)
мг/дм3
0,25
29 Кадмий (Cd)
мг/дм3
0,015
30 Свинец (Pb)
мг/дм3
0,25
31 Мышьяк (As)
мг/дм3
0,01
32 Ртуть (Hg)
мг/дм3
0,005
33 Стронций
мг/дм3
2,0
II. Нормативные показатели общих свойств сточных вод и допустимые
концентрации загрязняющих веществ в сточных водах, допущенных
к сбросу в централизованные дождевые системы
водоотведения
1 Реакция среды (pH)
ед.
6,5–8,5
2 Температура
°C
+40

18

19

1.4. Правила сброса сточных вод в городские сети
водоотведения
Промышленные и иные сточные воды при присоединении водоотводящих сетей к городским системам должны быть соответствующим образом подготовлены. Запрещается сброс бытового мусора, золы, шлака, стекол, камня, древесных отходов, листвы и т. п.,
а также волокнистых и пленочных материалов. Химический состав
допускаемых к сбросу стоков согласно [7] приведен в табл. 1.7.
Таблица 1.7
Приложение № 3 к Правилам холодного водоснабжения и водоотведения
Нормативные показатели
общих свойств сточных вод и допустимые концентрации
загрязняющих веществ в сточных водах, допущенных к сбросу
в централизованную систему водоотведения

3
4
5
6
7
8
9

Окончание табл. 1.7
2
3
мг/л
300
мг/л
1,5
мг/л
100
мг/л
300
мг/л
7,0
мг/л
1,2
мг/л
0,5

1
Взвешенные вещества
Сульфиды
Сульфаты
Хлориды
БПК5
Азот аммонийный
Нефтепродукты

* Не применяется к сточным водам, подвергнутым биологической очистке на локальных очистных сооружениях.

Указаны следующие производства, которые обязаны иметь
локальные очистные сооружения.
ПЕРЕЧЕНЬ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРИ ПРОВЕДЕНИИ КОТОРЫХ
АБОНЕНТ ОБЯЗАН ИМЕТЬ ЛОКАЛЬНЫЕ ОЧИСТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
И ОСУЩЕСТВЛЯТЬ СБРОС В ЦЕНТРАЛИЗОВАННУЮ СИСТЕМУ
ВОДООТВЕДЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД, ПРОШЕДШИХ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНУЮ ОЧИСТКУ

1. Нефтепереработка, химический и органический синтез,
фармацевтическое производство.
2. Целлюлозно-бумажное и картонное производство.
3. Спиртовое, дрожжевое пиво безалкогольное (включая солодовенное), кондитерское, крахмало-паточное, маслодельное производства, переработка молока, рыбы, мяса (включая скотобойни),
фруктов и овощей.
4. Выращивание скота и птицы.
5. Гальваническое производство.
6. Машиностроение и металлообработка.
7. Металлургия черная и цветная.
8. Производство строительных материалов и конструкций,
стекла и стеклоизделий, керамических изделий.
9. Производство лакокрасочных материалов, синтетических
поверхностно-активных веществ.
10. Обработка поверхностей, предметов или продукции с использованием органических растворителей.
11. Производственные процессы, в ходе которых используются или образуются следующие вещества:
20

• неэмульгированные жиры, пищевые отходы;
• нефтепродукты;
• кислоты и щелочи, а также их растворы;
• ионы тяжелых металлов, соединения мышьяка и ртути;
• свободный сероводород и свободные сульфид-ионы, меркаптаны, а также восстановленные серные соединения (сульфиты,
тиосульфаты, элементарная сера), сероуглерод;
• циановодород, ароматические углеводороды, органические
растворители, летучие органические соединения (толуол, бензол,
ацетон, метанол, бутанол, пропанол, их изомеры и алкилпроизводные);
• хлорорганические соединения, 2, 4, 6-трихлорфенол, дихлорметан, дихлорэтан, пентахлорфенол, полихлорбифенилы (сумма ПХБ) и полихлортерфенилы (сумма ПХТ), тетрахлорэтилен,
трихлорэтилен, триэтиламин, хлороформ (трихлорметан), тетрахлорметан, (четыреххлористый углерод), бенз(а)пирен, этилбензол
(фенилэтан), диоксины;
• синтетические поверхностно-активные вещества, не подвергающиеся биологическому окислению;
• биологически неокисляемые красители натурального, искусственного и синтетического происхождения;
• биологически резистентные пестициды;
• оседающие минеральные включения гидравлической крупностью более 2 мм/с;
• всплывающие вещества (включения) гравитационной крупностью более 20 мм/с;
• волокнистые включения, в том числе пряжа, ворс, волос,
шерсть, перо;
• активный хлор более 5 мг/л, за исключением случаев введения на объекте водоотведения санитарного карантина;
• радионуклиды.

21

Лекция 2. РЕШЕТКИ И СИТА
2.1. Устройство аппаратов
Содержащиеся в сточных водах крупноразмерные (более 1 см)
отбросы, являющиеся отходами хозяйственно-бытовой и производственной деятельности, представляют собой остатки пищи, упаковочные материалы, бумагу, тряпки, санитарно-гигиенические, полимерные и волокнистые материалы. В процессе транспортирования по водоотводящим сетям крупноразмерные отбросы адсорбируют содержащиеся в сточных водах органические соединения,
жиры. Образующийся на поверхности отбросов адгезионный слой
способствует налипанию на них значительного количества песка,
шлаков и других минеральных частиц. В целом они способны значительно осложнить работу песколовок, отстойников, трубопроводов и сооружений по стабилизации осадка.
Решетки и сита применяются для задержания из городских
сточных вод крупных и волокнистых материалов и являются сооружениями предварительной очистки. Основным элементом решеток является рама с рядом металлических стержней, расположенных параллельно друг другу и создающих плоскость с прозорами, через которую процеживается вода. Основным элементом сит
являются перфорированные листы с круглыми либо продолговатыми отверстиями. В табл. 2.1 приведены характеристики основных
типов решеток и сит.
Таблица 2.1
Технические характеристики основных типов решеток и сит

Тип
1
Сороудерживающие
решетки

Ручные решетки

Размер прозоров (отверстий), мм
2
38–150

Допустимые скорости, м/с
3

25–50

0,3–0,6

22

Примечания
4
Используется на общесплавных системах
канализации. Размер
отверстий зависит от
защищаемого оборудования
Используются на малых предприятиях или
на обводных каналах

1
Механически очищаемые стержневые
решетки периодического и непрерывного действия

2
6

3
0,6–1,2

Механически очищаемые ступенчатые
решетки

3–6

0,6–1,4

Барабанные решетки

6–10

Барабанные сита
Шнековые решетки

1
0,5–6

Окончание табл. 2.1
4
16-миллиметровые отверстия считаются
удовлетворительными
для защиты последующего оборудования
Достигается эффективность очистки загрязнений по ВВ
и БПК5 от 10 до 15 %
Одновременный отмыв отбросов
Одновременный дополнительный эффект
очистки по ВВ и БПК5
Одновременный эффект, максимальная
производительность
580 м3/ч

Для очистки городских сточных вод применяются в основном
механически очищаемые колосниковые решетки, решетки непрерывного действия, механически очищаемые ступенчатые решетки
и барабанные решетки.
В качестве фильтрующих элементов чаще других применяют
стержни прямоугольной формы. Толщина стрежней обычно равна
6–10 мм, ширина прозоров между стержнями обычно принимается
равной 16 мм. Решетки с прозорами шириной более 16 мм применяются в насосных станциях и на очистных сооружениях дождевых стоков.
Решетки устанавливаются в расширенных каналах, называемых камерами. Движение воды происходит самотеком. Для удобства съема загрязнений решетки часто устанавливают под углом к горизонту α = 60–70°.
Конструктивные особенности механически очищаемых
стержневых решеток периодического действия представлены на
рис. 2.1 и 2.2.
Для них возможны разные схемы автоматизации работы:
• по времени работы;
• по перепаду уровня сточных вод в канале до и после решетки;
• по заданной программе.
23

В качестве примера на рис. 2.1 и 2.2 показан вариант работы
по перепаду уровня сточных вод в канале до и после решетки.
Предусматривается сигнализация нормальной работы оборудования, аварийного отключения, предельного уровня сточных вод
в подводящем канале здания решеток.
а)

б)

4

6

7

8

Во избежание поломок рабочих органов и несущих частей решеток с граблинами на бесконечной цепи, растяжения и разрыва
цепи, решетки снабжены предохранительным устройством. Предохранительное устройство срабатывает при заклинивании граблины
или других механических повреждениях, препятствующих свободному движению цепи, и останавливает работу решетки. Одновременно с этим включается звуковая и световая сигнализация.

5
3

9
2

5

3

4
3

1

2
1

2

3

4

1

в)

1

2

3

4
11

10

Рис. 2.1. Наклонная механизированная решетка с граблинами
на бесконечной цепи:
а – схема установки решетки в канале; б – общий вид; в – последовательность работы; 1 – стержни решетки; 2 – граблины; 3 – акустический уровнемер; 4 – щит управления; 5 – рама решетки; 6 – мотор-редуктор; 7 – сьемник
отбросов; 8 – сбросной желоб; 9 – конвейер; 10 – накопленные отбросы;
11 – транспортируемые отбросы
24

Рис. 2.2. Особенности работы однограбельной наклонной
механизированной решетки:
1– стержни решетки; 2 – конвейер; 3 – съемник отбросов; 4 – граблина;
5 – рама решетки

В однограбельных механизированных решетках перед началом цикла очистки граблина находится между уровнем воды
и верхним положением. По временному интервалу или по сигналу
от датчика уровня включается двигатель привода и граблина поднимается вверх. Во время движения граблины вверх, сбрасыватель
счищает с поверхности граблины загрязнения и сбрасывает их на
лоток. Частота и продолжительность циклов очистки зависят от
расхода сточной воды и состава содержащихся в них загрязнений.
Все движущиеся узлы и детали механизма привода (подшипники, зубчатые колеса, цепи) смонтированы таким образом, что никогда не входят в соприкосновение со сточной жидкостью, что повышает надежность и долговечность привода.
25

Конструктивные особенности механически очищаемых ступенчатых решеток периодического действия представлены на рис. 2.3.
Принцип работы таких решеток состоит в фильтрации сточной жидкости через набор ступенчатых пластин из нержавеющей
стали. Набор состоит из пакета неподвижных пластин, закрепленных на раме решетки, и пакета подвижных пластин, совершающих
плоскопараллельное вращение относительно неподвижных при помощи кривошипно-шатунного привода, установленного в верхней
части решетки.
а)

3

5

б)

4

6

2

2

1

Благодаря круговым движениям подвижных пластин, задержанные отбросы шаг за шагом поднимаются по ступеням в верхнюю часть решетки, откуда поступают на сброс и дальнейшую
транспортировку (позиции 1–4). Технические характеристики решеток приведены в табл. 2.2.
Как показано на рис. 2.3, работа решетки осуществляется, как
правило, в циклическом режиме, но она может работать и непрерывно. Начало цикла очистки совпадает с достижением в канале
перед решеткой верхнего рабочего уровня, при котором происходит срабатывание датчика уровня, подающего сигнал на включение
привода решетки.
Круговыми движениями подвижных пластин производится
перемещение вверх задержанных отбросов и очищение фильтрующей поверхности решетки, в результате чего уровень воды перед
решеткой снижается и по сигналу датчика уровня происходит отключение привода.
Частота и продолжительность циклов очистки существенно
зависят от расхода сточной жидкости и состава содержащихся
в ней загрязнений.
Конструктивные особенности механически очищаемых решеток барабанного типа представлены на рис. 2.4.

в)

Рис. 2.3. Ступенчатая механизированная решетка:
а, б – схемы установки решетки в канале; в – последовательность работы;
1 – пластины решетки; 2 – акустический уровнемер; 3 – щит управления;
4 – рама решетки; 5 – мотор-редуктор; 6 – конвейер
Рис. 2.4. Особенности устройства решеток барабанного типа
26

27

Технические характеристики ступенчатых решеток

Таблица 2.2

Она может устанавливаться в канале или резервуаре под
углом 35°. Через открытую торцевую сторону сточные воды поступают в корзину решетки и протекают сквозь ее прутья. При этом в зависимости от величины прозора удерживаются находящиеся в стоках
оседающие или взвешенные вещества. Ковер из задержанных отбросов, покрывающий поверхность решетки, может создавать дополнительное фильтрующее действие, при котором задерживаются более
мелкие частицы, чем прозор решетки. Когда она засоряется (увеличится перепад уровней), включается движущаяся по кругу внутри корзины граблина с гребенкой, установленная на центральной оси. Зубья
гребенки, полностью проходящие сквозь кольца решетки, очищают
барабан решетки, извлекают из решетки весь мусор и при верхнем вертикальном положении гребенки сбрасывают его в расположенный по
центру желоб с отводящим шнеком. Благодаря вращению транспортировочного шнека задержанные отбросы извлекаются из желоба.
Задержанный мусор обезвоживается до 45 % сухого вещества
и уплотняется выгружающим шнеком. Выгрузка обезвоженных отбросов осуществляется через выгружной патрубок в подставленный контейнер или приспособление для транспортировки отбросов. Отжатая
вода собирается в кожухе, окружающем зону прессования, или отводится по гибкому прозрачному шлангу обратно в корзину решетки.
Количество и плотность отбросов, задерживаемых решетками
и ситами, эффективность их задержания зависят от размеров их проходного сечения (размеров прозоров между стержнями или отверстий
в ситах) [9] и могут определяться по рис. 2.5 и 2.6.
Для транспортировки отбросов применяются ленточные
и спиральные транспортеры. Конструктивные особенности спиральных транспортеров представлены на рис. 2.7. Они изготавливаются
длиной не более 15 м. При этом их производительность может изменяться от 0 до 12 м3/ч.
Для прессования отбросов применяют гидравлические прессы,
а для отмыва и прессования – моечные шнековые прессы, конструктивные особенности которого представлены на рис. 2.8 и в табл. 2.3.
Общий вид решеток со спиральным транспортером и моечным шнековым прессом показан на рис. 2.9.

28

29

0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0

11

80
60

22

40
20
0
0

10

20

Объем
задерживаемых
отбросов, л/чел.⋅сут

Эффект задержания
отбросов, %

100

30

Размер проходного сечения, мм

3

отбросов, кг/м

Плотность задержания

Рис. 2.5. Изменение показателей работы решеток и сит в зависимости
от размера проходного сечения:
1 – сита; 2 – решетки; – – – эффективность задержания отбросов;
̶ объем задерживаемых отбросов
Рис. 2.8. Конструкция моечного шнекового пресса

1100
1000
900
800
700
600
500

Таблица 2.3
Технические характеристики моечного шнекового пресса
Единица
измерения
%
м3/ч

Показатель работы

0

10

20

30

Влажность прессованных отбросов
Производительность

Значение
55
0–12

Размер проходного сечения, мм
Рис. 2.6. Плотность задерживаемых отбросов
1

2

3

5

5

1

4

Рис. 2.7. Конструкция спиральных
транспортеров отбросов
механизированных решеток:
1 – мотор-редуктор; 2 – начальный
элемент спирали; 3 – промежуточные
элементы спирали; 4 – корпус конвейера;
5 – защита корпуса

30

2

3

Рис. 2.9. Общий вид решеток:
1 – решетки; 2 – спиральный конвейер; 3 – моечный шнековый пресс
31

2.2. Расчет решеток с механизированной очисткой
1. По техническим характеристикам решеток фирмыпроизводителя с учетом расчетного расхода сточной воды qmax выбирают модель решетки и определяют ее основные габаритные характеристики, в том числе: b – ширину прозоров решетки, мм;
d – толщину стержней решетки, м; n1 – количество прозоров;
N – общее количество рабочих решеток. По табл. 2.4 назначается
число резервных решеток M.
Таблица 2.4
Соотношение между числом рабочих и резервных решеток
Тип решетки
С механизированной очисткой:
с прозорами 0–20 мм
с прозорами свыше 20 мм
Решетки-дробилки, устанавливаемые:
на трубопроводах
на каналах

Число решеток
рабочих
резервных
1–3; больше 3
1 и больше

1; 2
1

1–3
1–3; больше 3

1 (ручная)
1; 2

K ст q max
, м/с ,
h k n1 b N

(2.1)

где Kст – коэффициент, учитывающий стеснение потока механическими граблями, равный 1,05–1,1; скорость vp не должна превышать 1,2 м/с. Если это условие не выполняется, то выбирают другую решетку или их количество и повторяют расчет, начиная с п. 2.
4. Определяются потери напора на незасоренных решетках,
необходимого для расчета уступа hp, показанного на рис. 2.1. Их
32

d
h р = Δh = β
b

4/3

sin

v2
,
2g

(2.2)

где ∆h – потеря напора, м; v – скорость воды в канале без решетки,
м/с; α – угол наклона решетки к горизонтали; d – толщина стержней,
м; β – коэффициент формы стержней, определяемый по рис. 2.10;
g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2.
Потеря напора ∆h на чистой решетке, как правило, не должна
превышать 0,15 м.
d

b
d

2. По таблицам гидравлического расчета каналов прямоугольного сечения [27] в соответствии с расчетным расходом сточной воды qmax и скоростью течения воды vк = 0,6–0,7 м/с принимаются размеры подводящего канала перед решетками Bк×Hк, его уклон iк и наполнение hк. Если скорость vк < 0,6 м/с, то следует предусматривать взмучивание потока воды во избежание осаждения песка перед решетками.
3. Осуществляется проверка скорости vp движения воды
в прозорах выбранных решеток
Vp=

следует принимать по паспортным данным фирмы-производителя.
Если таких данных нет, то расчет осуществляют по формуле

5d

β=

2,4

1,83

1,87

1,03

0,92

0,78

1,79

Рис. 2.10. Формы стержней

5. Определяются потери напора ∆h3 на засоренных решетках.
Их следует принимать по паспортным данным фирмыпроизводителя. Если таких данных нет, то потери напора на засоренных решетках принимают равными ∆h3 = 3·∆hp. Рассчитывают
максимальный уровень воды в подводящем канале перед решетками hmax = hk·∆h3 и проверяют выполнение условия Hк – hmax ≥ 0,5 м.
Если оно не выполняется, то увеличивают глубину канала Hк, определенную на этапе 1.
6. Определяются объемы Wотбр, Wотбр.р и массы снимаемых отбросов Мотбр, Мотбр.р:
Wотбр = qотбр Nпр/1000, м3/сут;
33

3. Определяются размеры глубины Hк и ширины Bк подводящих каналов по незаиливающейся скорости движения потока воды.
Желательно назначать ширину канала равной ширине фильтрующей части Б.
4. Определяется число прозоров

3

Wотбр.р = Wотбр K/24 , м /ч;
Мотбр = сотбр Wотбр/1000, т/сут;
Wотбр_р = 1000 Wотбр K/24, кг/ч,

(2.3)

где qотбр – удельное количество отбросов, л/чел. в сутки, определяемое по рис. 2.5; сотбр – средняя плотность отбросов, кг/м3, определяемая по рис. 2.6; K – коэффициент неравномерности поступления отбросов, равный 2; Nпр – приведенное число жителей.
7. Выбираются марки и количества спиральных транспортеров отбросов механизированных решеток в зависимости от массы
снимаемых отбросов Wотбр.р.
8. Выбираются марки и количество моечных прессов отбросов механизированных решеток в зависимости от массы снимаемых
отбросов Wотбр.р.
9. Определяют расход технической промывной воды Qпром
(м3/ч), подводимой к моечному прессу:
Qпром = qуд · Мотбр.р ,
где qуд – удельный расход промывной воды, определяемый по данным фирмы-производителя дробилки; при отсутствии данных qуд
следует принимать равным 0,04 м3/кг отбросов.

Последовательность расчета:
1. По номинальной производительности Qc (табл. 2.2) назначается количество рабочих решеток

q max
.
Qc

Б
,
s +Т

Bп = n s .

(2.6)

6. По величине допустимой скорости потока воды в прозорах
vp = 1,1–1,3 м/с вычисляется требуемая высота слоя воды в решетке
q
(2.7)
H р = max .
Bп vр N
7. Если Hp больше, чем наполнение канала Hк, в месте установки решетки предлагается углубление в дне канала на 0,3–0,4 м,
и тогда
Н *р = Н к + (0,3–0,4), м.
8. Вычисляется скорость движения воды при новом значении

v*р =

q max
.
Н *р Б N

9. Вычисляется сопротивление решетки по формуле (2.2).

(2.4)

2. В случае использования одной или двух решеток назначается один резервный агрегат.
34

(2.5)

где S и T – толщина прозоров и фильтрующих пластин.
5. Определяется общая ширина прозоров

Н *р :

2.3. Расчет ступенчатых решеток

N=

n=

35

(2.8)

Лекция 3. ПЕСКОЛОВКИ

3.2. Конструкции песколовок

3.1. Назначение песколовок

Рассматриваемые ниже конструкции песколовок, представленные на рис. 3.1, а–г, предназначены для задержания крупных
частиц диаметром 0,2 мм и выше. Известным их недостатком является включение в состав песка крупных органических примесей,
вследствие чего выгружаемый на песковые площадки осадок загнивает и создает антисанитарную обстановку на очистных станциях.
Продолжительность пребывания сточных вод в песколовках
колеблется в пределах 60–150 с (не допускается меньше 30 с). В неаэрируемых песколовках обнаруживается проскок песка и низкая
зольность осадка при прокаливании органических примесей.
Горизонтальные песколовки. Основаны на принципе снижения скорости движения воды до значений 0,15–0,3 м/с. Принята
схема осаждения песка в соответствии с геометрической схемой

Песок представляет собой окатанные частицы крепких горных
пород (гранит, гнейс, базальт и т. п.) с плотностью от 2,5 до 3,3 г/м3.
В среднем принята характерная средняя плотность частиц 2,65 г/м3
с некоторым запасом, определяемым скоростью осаждения частиц
в покоящейся воде. Геометрическая характеристика – диаметр частиц определяется рассевом песка на ситах. Считается более достоверным показателем гидравлическая крупность (скорость осаждения частиц) u0, мм/с, оцениваемая как u = h/t. Различают песок
в свободном состоянии и в агрегатно-связанном виде (включение
песка в минеральные и органические дисперсные примеси). Гидравлическая крупность свободного песка при температуре воды
10 °С представлена в табл. 3.1.
Гидравлическая крупность песка
Диаметр частиц, мм
Гидравлическая крупность, мм/с

0,1
6

0,15
13,2

Таблица 3.1

0,2
18,7

0,25
24,2

Агрегатно-связанные частицы песка осаждаются медленнее
в соответствии с плотностью агрегатов и их размером.
В канализационных сетях песок движется в нижней части потока воды в виде перекатывающихся и взвешенных частиц поверх
плотного слоя осевших и консолидированных твердых примесей.
При увеличении скорости потока наблюдается размыв и вынос
осевших примесей, поэтому количество песка в сетях оценивается
весьма приближенно. Наличие песка в воде и в твердых осадках не
благоприятно отображается на работе сооружений и аппаратов на
очистных станциях. Отложение песка уменьшает объемы сооружений, способствует заиливанию лотков и труб, осложняет работу задвижек и затворов.
Песок в осадках увеличивает образованный износ в насосах,
центрифугах, сепараторах.
Песколовки предназначены для предотвращения этих негативных воздействий.

36

t=

hS LS
h
=
, LS = k S v S ,
u0 v S
u0

где LS, hS, vSs – длина, глубина и скорость воды в песколовке;
k – коэффициента запаса, k = 1,3–1,7.
Допустимая минимальная скорость движения воды 0,15 м/с
должна обеспечивать пронос органических включений, а максимальная допустимая скорость 0,3 м/с – задержание частиц песка
крупностью 0,2 мм. На начальном участке длины песколовки устраивается приямок для песка, поскольку влекомые потоком воды
частицы песка осаждаются сразу. Транспорт осевшего песка к приямку осуществляется скребками на цепи, на механических тележках, либо гидросмывом. Из приямков песок удаляют гидроэлеваторами и песковыми насосами при разбавлении осадка водой
в 20–40 раз.
На небольших по производительности станциях используют
горизонтальные песколовки с круговым движением воды. Зольность осадка (содержание песка в осадке) низкая – 40–50 %.
Вертикальные и тангенциальные песколовки. В них используется закручивание потока с целью создания центробежных сил для
сосредоточения песка в пристенном пространстве. В практике не
получили широкого распространения.
37

а)

Аэрируемые песколовки. Для отделения связанного песка из
агрегатов необходимо механическое воздействие, достигаемое различными способами. Используются турбинные и пропеллерные
мешалки, гидравлически закрученные потоки, аппараты центробежного и вибрационного типа. В практике закрепились песколовки с аэрацией потока воды, в которых гидравлическое воздействие
имеет продолжительность (5–10 мин), больше чем в аппаратах механического типа (1–2 мин). Но простота конструкции и высокая
надежность метода аэрации привлекают больше, чем экономия
объема и электроэнергии. Конструкция аэрируемой песколовки показана на рис. 3.2 и 3.3. Заглубленные на 2/3 высоты аэраторы создают циркуляционный вращающийся поток воды, в верхней части
потока скорость движения воды Vпов = 0,5–0,6 м/с, а в нижней части
над пляжем Vдн = 0,15–0,25 м/с

1

2

3
4

б)

в)

5

6
5

4

1

2

А
Vпов

г)
4

д)
12

11

7

14
3

10
8

13

Vдн

15
9

Рис. 3.1. Конструктивные схемы наиболее распространенных песколовок:
а – горизонтальная с прямолинейным движением воды; б – горизонтальная
с круговым движением воды; в – вертикальная; г – тангенциальная с вихревой водяной воронкой; д – аэрируемая песколовка с насосом для удаления
песка; 1 – цепной скребковый механизм; 2 – гидроэлеватор; 3 – бункер;
4 – подводящий канал; 5 – отводящий канал; 6 – сборный кольцевой лоток;
7 – песок; 8 – шнековый подъемник; 9 – зона улавливания песка; 10 – щелевая перегородка; 11 – зона улавливания жира и нефтепродуктов; 12 – подача
воздуха; 13 – откачка песка насосами из пескового лотка; 14 – лоток отвода
песковой пульпы; 15 – трубопровод отвода жира

38

4

5

А

Рис. 3.2. Поперечное сечение аэрируемой песколовки:
1 – воздуховод; 2 – стояк; 3 – аэратор; 4 – песковой лоток;
5 – трубопровод гидросмыва песка

При соударении потока со стенкой создаются ударные воздействия на агрегаты, выделившийся песок осаждается над пляжем,
а органические примеси проносятся над ним, не выпадая в осадок.
39

1
3
6

2

4

5 6

4
S
B

7

Hс

Рис. 3.3. Аэрируемая песколовка с гидромеханической системой удаления песка:
a и б – продольный и поперечный разрезы; 1 – трубопровод подачи промывной воды; 2 – песковый лоток;
3 – спрыски; 4 – аэратор; 5 – воздуховод; 6 – гидроэлеватор
40

Наклон поверхности пляжа согласуется со скоростью движения
воды и интенсивностью аэрации для отделения песка крупностью
0,15–0,2 мм. Скорость движения воды у дна должна быть не более 0,2 м/с
(при скорости 0,25 м/с выделяется песок крупностью 0,2–0,25 мм).

8

3.3(А). Аэрируемая песколовка с удалением песка при помощи насосов:
1 – монорельс насоса; 2 – шкаф управления; 3 – сепаратор песка; 4 –
приводы ведущих колес; 5 – мотор-редуктор; 6 – помост; 7 – поверхностный
скребок; 8 – песковый насос

Продолжительность цикла вращения воды зависит от геометрии поперечного сечения песколовки, интенсивности аэрации
и равна приблизительно 45–90 с. Многократные повторения цикла
по мере движения воды обеспечивают выделение песка крупностью
до 0,15 мм и малое содержание органических примесей (зольность
осадка 90–95 %). Интенсивность аэрации может быть равномерной
по длине песколовки либо плавно снижающейся от входа к выходу
воды. Если устройство для улавливания плавающих примесей ус41

танавливается в конце песколовки, желательна понижающаяся интенсивность аэрации.

1

3.3. Расчет песколовок
Для расчета необходимо назначить входную и выходную концентрацию песка в сточных водах. Значения этих величин колеблются в таких широких пределах, из-за чего затруднительно получить и оценить достоверный эффект задержания песка. Песок, не
задержанный в песколовках, осаждается в первичных отстойниках.
Сведения о песке в осадке можно получить путем отмывки осадка
первичных отстойников (отмывка чистой водой при плавном перемешивании). Содержание песка в осадке составляет 12–14 %
(по весу сухого вещества осадка) для неудачных конструкций песколовок, до 1–2 % для аэрируемых песколовок с продолжительностью протока до 15 мин (Северная станция аэрации СанктПетербурга). Расчет аэрируемых песколовок рекомендуется производить по формулам
J St =

tS =

2
3

Рис. 3.3(Б). Аэрируемая песколовка с удалением песка при помощи скребков:
1 – поверхностный скребок для сбора плавающих веществ; 2 – скребок для
сбора песка; 3 – аэраторы

J S0
;
10 – 3 + 1

J 0,8
St t S

1000 J S 0
–1 ,
J 0,8
J St
S0

(3.1)

(3.2)

где JS0 и JSt – содержание песка во взвешенных веществах и в осадках первичных отстойников (%); tS – продолжительность протока, с.
Содержание песка в осаждающихся взвешенных веществах
13–17 %, в осадке первичных отстойников принимается равным
2–3 %. Ниже приводятся значения tS при JS0 = 15 %:

Аэраторы выполняют в виде горизонтальных дырчатых труб
(dотв = 5–6 мм) длиной не более 1–1,5 м, присоединенных к стояку.
Относительно короткие аэраторы удобны в эксплуатации при регулировании интенсивности аэрации.
Соотношение ширины и высоты песколовки должно приближаться к 1:1. Песковый канал обычно располагается ближе к стене,
на которой крепятся аэраторы, эта зона поворота потока, гарантирующая пронос органических частиц над песковым каналом. Из
пескового канала песок удаляется скребком на тележке, насосом на
тележке, либо с помощью гидросмыва.

tS…….. 60 120 180 240 300 460 600 900 1200
JSt……. 9,8 7,3 5,8 4,8 4,1 3,0
2,4
1,7 1,3
Содержание песка в осадке ограничивается способностью высокооборотных аппаратов противодействовать образованию износа.
В центрифугах и центрипрессах число оборотов ротора достигает
3000–4500 об./мин, поэтому содержание песка в осадке допускают
на уровне 1–3 %. Высокооборотные насосы для перекачки осадка
позволяют поднять эту величину до 4–5 %, а низкооборотные
до 5–6 %.
Возможно выделение песка в сооружениях по обработке осадков, для чего рекомендуется использовать аппараты для задержания
песка в загущенных средах.

42

43

Задержанный песок собирают в песковый лоток, из которого
при помощи скребка на тележке либо гидросмыва транспортируют
в приямок. Размеры лотка выбирают по допустимому усилию сдвигания песка скребком или режиму смыва песка в приямок.
Рассмотрим второй способ смыва песка – гидросмыв.
Гидросмыв основан на создании в лотке режима взмучивания
слежавшегося слоя песка, образования условий для вымывания
песка в жидкости и движения песковой суспензии по уклону лотка
к приямку.
Взмучивание песка и режим витания наблюдаются при средней (по площади лотка) скорости νв восходящего потока технической воды 6–7 мм/с (рис. 3.4). Ширина лотка, исходя из условий
растекания потока технической воды, принимается 0,4–0,5 м. От
напорного трубопровода технической воды через штуцеры (насадки) диаметром 6–8 мм, расположенные через 0,5–0,6 м друг от друга по обе стороны трубы в шахматном порядке, струи создают песковую суспензию.

с помощью специальной техники. Простейшие способы заключаются в устройстве лотков или отделений в конце песколовки (переливные зубчатые либо плоские водосливы), которые действуют при
подъеме уровня воды в песколовке на 5–6 см путем закрытия щита
на отводном участке канала. Более сложный способ предусматривает устройство жиросборного лотка по всей длине песколовки.
Всплывающие вещества переливаются в лоток и затем скребком
сгоняются из лотка в пеносборник.
3.4. Обработка песка

где Lл – длина лотка; Вл – ширина
лотка.
Продолжительность гидросмыва 2–3 мин. Песковая суспензия из лотка поступает в приямок
песколовки. В приямке происходит
1
отделение и осаждение песка.
Рис. 3.4. Лоток для транспорта
Емкость осадительной части приосевшего песка:
ямка Wпр (начиная с отметки дна
1 – лоток; 2 – напорная труба
лотка)
должна быть рассчитана на
технической воды; 3 – штуцера
объем
поступающей
суспензии Qт.в
(насадки)
и продолжительность гидросмыва 2–3 мин: Wпр = (120–180) Qт.в.
Ширина и длина приямков согласуется с размерами песколовки, угол наклона стенок 60°.
В песколовках всплывают жиры, нефтепродукты и СПАВ.
Улавливают всплывающие продукты простейшими способами или

Песок и минеральные вещества из установок для обработки
сточных вод, как правило, загрязнены органическими частицами
и примесями, подобными бытовому мусору. Эти загрязнения –
причина сравнительно низкого содержания сухого вещества (в диапазоне 40–70 %) и сравнительно высоких потерь при прокаливании
(в диапазоне 10–80 %). Поэтому после задержания песка в песколовках целесообразно отделить песок или минеральную фракцию
как полезный материал от вышеназванных загрязнений.
Наиболее отработанным техническим решением является установка Huber RoSF4 для вымывания органических загрязнений из
песка, его обезвоживания и транспортировки, представленная на
рис. 3.5.
Смесь воды, песка и органических веществ подается в установку RoSF4 через подводящий трубопровод в приемное отверстие 3
и далее поступает через камеру закручивания потока в патрон Коанда. Закрученный поток с использованием эффекта Коанда переводится из вертикального направления в горизонтальное, причем
в резервуаре образуется определенное поле течения, так что возникают оптимальные условия для отделения минеральных включений
из смеси. Поскольку седиментация зависит как от размеров частиц,
так и от их плотности, то осаждаются не только минеральные, но
и органические включения. Непосредственное выделение песка,
т. е. отделение минеральных частиц от органических, осуществляется в нижней части установки, где не происходит интенсивного
движения. Для этого снизу подается определенное количество воды 7
(водопроводной), благодаря чему создается «кипящий», или псевдоожиженный слой 10, в котором частицы ведут себя как в кипящей жидкости, постоянно сталкиваясь друг с другом. Этот кипя-

44

45

Расход технической воды
(м3/с) определяется по скорости
восходящего потока νв, м/с:
(3.3)
Q =L В v ,

2

тв

3

л л в

щий слой позволяет отделять органические вещества от песчинок –
независимо от размеров частиц. Такое разделение по плотности
компонентов пескоорганической смеси поддерживается скребковым механизмом с низкой скоростью вращения. Очищенный от органических включений песок 9 автоматически выводится наружу
шнековым транспортером. При этом он обезвоживается статическим способом, а затем сбрасывается в контейнер. Оставшиеся
в установке органические вещества выводятся через специальный
сток 5 – тоже автоматически, но в прерывистом режиме и в зависимости от параметров технологического процесса.

На рис. 3.6 представлен общий вид установки на КОС Петродворца.

2
Рис. 3.6. Общий вид установки для вымывания органических
загрязнений из песка на КОС Петродворца

1

3

11
4

10

5
7
6

9
8

Рис. 3.5. Установка Huber RoSF4 для вымывания органических загрязнений
из песка:
1 – мешалка; 2 – мотор мешалки; 3 – приемное отверстие; 4 – слив воды;
5 – сброс органических веществ; 6 – датчик давления; 7 – восходящий поток
воды; 8 – сток для опоржения; 9 – промытый песок; 10 – псевдоожиженный
(«кипящий») слой песка; 11 – блок вывода песка

В результате обработки песка образуется полезный материал,
имеющий малые потери при прокаливании (< 3 %) и высокое содержание сухого вещества (> 90 %). Таким образом, во-первых,
снижается стоимость утилизации и, во-вторых, добывается продукт, который можно использовать в качестве вторсырья.
46

47

Лекция 4. ПЕРВИЧНЫЕ ОТСТОЙНИКИ
4.1. Устройство горизонтальных, радиальных и вертикальных
отстойников
Осаждение является самым простым, наименее энергоемким
и дешевым методом выделения из сточных вод грубодиспергированных примесей с плотностью, отличной от плотности воды. Под
действием силы тяжести частицы загрязнений оседают на дно сооружения или всплывают на его поверхность. Осаждение осуществляют в отстойниках.
Относительная простота отстойных сооружений обусловливает их широкое применение на различных стадиях очистки сточной
воды и обработки образующихся осадков. В зависимости от своего
назначения и расположения в технологических схемах очистки
сточных вод отстойные сооружения подразделяются на следующие:
первичные, вторичные и третичные (контактные резервуары) отстойники.
Первичные отстойники располагаются в технологической
схеме очистки сточных вод непосредственно за песколовками
и предназначаются для выделения взвешенных веществ из сточной
воды, что при достигаемом эффекте осветления 50–60 % приводит
также к снижению величины БПК в осветленной сточной воде на
15–35 % от исходного значения.
Во избежание повышенного прироста избыточного активного
ила в аэротенках и биопленки в биофильтрах остаточная концентрация взвешенных веществ в осветленной сточной воде после первичных отстойников не должна превышать 100–150 мг/л.
По конструктивным особенностям и направлению движения
воды отстойники делятся на горизонтальные, вертикальные и радиальные. Их конструктивные схемы представлены на рис. 4.1.
Горизонтальные отстойники применяют на станциях очистки сточных вод пропускной способностью более 15 000 м3/сут.
Наибольшее распространение получили прямоугольные в плане отстойники с иловыми приямками, расположенными в один-два ряда
в начале сооружений. Отстойники оборудованы скребковыми механизмами, обычно тележечного или ленточного типа, сдвигающими выпавший осадок к иловым приямкам, откуда он удаляется насосами или под гидростатическим напором. Для удаления легкого
осадка (например, активного ила) применяют также передвижные
48

эрлифтные установки, позволяющие равномерно удалять осадок
без его сгребания с поверхности днища. Конструктивные особенности первичного горизонтального отстойника со скребковым механизмом для удаления осадка и пены, приводимым в действие затопленным цепным механизмом, представлены на рис. 4.2.
а)

б)

в)

г)

Рис. 4.1. Конструктивные схемы наиболее распространенных отстойников:
а – горизонтальный; б – радиальный; в – вертикальный с центральным впуском; г – то же, с нисходяще-восходящим потоком воды; 1 – подача исходной
воды; 2 – полупогружная перегородка; 3 – скребковая тележка; 4 – отвод
очищенной воды; 5 – жиросборник; 6 – удаление плавающих веществ;
7 – удаление осадка; 8 – осадочная часть; 9 – переферийный сборный лоток;
10 – отражательный щит; 11 – кольцевая перегородка; 12 – зубчатый водослив; 13 – скребок осадка
49

Рис. 4.2. Конструктивные особенности первичного горизонтального отстойника со скребковым цепным механизмом для удаления осадка и пены:
1 – привод (мотор-редуктор); 2 – скребки; 3 – замкнутая цепь; 4 – сборщик
пены; 5 – лотки для сбора осветленной воды; 6 – отвод осветленной воды;
7 – камера пены; 8 – отвод пены; 9 – колеса скребка; 10 – трубопровод опорожнения; 11 – осадконакопитель; 12 – вход исходной воды; 13 – отвод осадка

Конструкции впускных и выпускных устройств сточных вод
должны обеспечивать равномерное распределение потока по живому сечению отстойника. Обычно впуск воды осуществляется по
фронту отстойника через незатопленный водослив с устройством
направляющей полупогружной перегородки в начале отстойника.
Альтернативным вариантом является устройство перфорированной
перегородки. Для отвода осветленной воды в торце отстойника установлены водосборные лотки с устройством перед ними сборщиков пены, предназначенных для задержания всплывающих веществ
(см. рис. 4.2).
Конструкцию и размеры иловых приямков отстойников выбирают в зависимости от вида осадка и способа его удаления. Объем
50

илового приямка должен обеспечивать накопление выпавшего
осадка за время не более 2 сут для первичных отстойников и для
вторичных отстойников, расположенных после биофильтров.
Основными преимуществами горизонтальных отстойников
являются: малая глубина, высокий эффект очистки, возможность
использования одного сгребающего устройства для нескольких отделений. К недостаткам относится необходимость применения
большего числа отстойников вследствие ограниченной ширины.
Вертикальные отстойники применяют на станциях пропускной способностью до 20 000 м3/сут для очистки производственных
и бытовых сточных вод. Как показано на рис. 4.1, 4.3 и 4.4, они
представляет собой круглые в плане резервуары с коническим
днищем.
Наиболее распространенным типом вертикального отстойника
является отстойник с впуском воды через центральную трубу
(см. рис. 4.3). При выходе из нижней части центральной трубы вода
меняет направление движения и медленно поднимается вверх
к сливному лотку. При этом из сточной воды выпадают грубодисперсные примеси, плотность которых больше плотности сточной
воды. Для лучшего распределения воды по всему сечению отстойника и предотвращения взмучивания осадка опускающейся водой,
центральную трубу делают с раструбом, ниже которого устанавливают отражательный щит. Рекомендуемая скорость движения воды
в центральной трубе не более 30 мм/с. Расстояние между щитом
и раструбом должно обеспечить скорость входа воды в отстойную
зону не более 20 мм/с. Рекомендуется угол наклона поверхности
отражательного щита к горизонту принимать равным 17°, диаметр
раструба и его высоту – 1,35 диаметра центральной трубы; диаметр
отражательного щита – 1,3 диаметра раструба; высоту нейтрального слоя между низом отражательного щита и поверхностью накопленного осадка – 0,3 м.
Уровень воды в отстойнике определяется гребнем переливного (сборного) желоба, в который поступает отстоенная вода. Отсюда она направляется на последующую очистку. Взвешенные вещества, выделившиеся из сточной воды, образуют осадок (примерно
0,8 л/сут по расчету на одного жителя), скапливающийся в иловой
части отстойника, вместимость которой рассчитывают на двухсуточный объем осадка.
51

Осадок из вертикальных отстойников удаляют под действием
гидростатического давления через иловую трубу диаметром 200 мм,
выпуск которой расположен на 1,5–2 м ниже уровня воды в отстойнике. Влажность осадка 95–97 %.
Вертикальные отстойники имеют преимущества по сравнению
с горизонтальными: к их числу относятся удобство удаления осадка
и меньшая площадь, занимаемая сооружением. Однако они имеют
и ряд недостатков, из которых можно отметить: а) большую глубину, что повышает стоимость их строительства, особенно при наличии грунтовых вод; б) ограниченную пропускную способность, так
как диаметр их не превышает 9 м.
Вертикальный отстойник новой конструкции с нисходящевосходящим потоком сточной воды представляет собой круглый
резервуар с периферийным лотком для сбора осветленной воды.
Отличие этого отстойника от типового заключается в том, что центральная труба заменена не доходящей до дна полупогружной перегородкой, разделяющей площадь отстойника на две равные части,
а впускное устройство выполнено на внутренней поверхности перегородки по всему периметру в виде переливного зубчатого распределителя с затопленным отражательным козырьком (см. рис. 4.4).
Сточная вода поступает по лотку (или по трубе) в приемную
камеру, а затем в лоток, имеющий зубчатый водослив, из которого
вода равномерно переливается и движется по периметру внутренней части отстойника. Отражательный козырек меняет направление
движения воды с вертикального на горизонтальное. По мере продвижения от перегородки к центру вода опускается вниз, распределяясь равномерно по всему сечению внутренней нисходящей части
отстойника. При движении сточной воды вниз с малыми скоростями поток теряет свою транспортирующую способность, благодаря
чему происходит осаждение взвешенных частиц. Интенсивное разделение жидкой и твердой фаз происходит на повороте потока. Далее вода движется восходящим потоком, переливается через борт
сборного лотка и отводится через отводную трубу. Всплывающие
вещества скапливаются у воронки и периодически удаляются через
трубу. Осадок удаляется под гидростатическим давлением по иловой трубе.

52

I–I

2

4

3

1

50°

6

1
5
2
Рис. 4.3. Первичный вертикальный отстойник из сборного железобетона:
1 – выпуск осадка; 2 – трубопровод для удаления плавающих веществ,
3 – центральная труба с отражателем; 4 – водосборный желоб;
5 – отводящий лоток; 6 – подводящий лоток

53

3

4

5 6

7

8

9
10

2
1

11

12

3
7
8
1
2

9

11
4
6

Рис. 4.4. Первичный вертикальный отстойник с нисходяще-восходящим потоком:
1 – приемная камера; 2 – подающий лоток (или трубопровод); 3 – трубопровод для удаления плавающих веществ; 4 – приемная воронка для удаления
плавающих веществ; 5 – зубчатый водослив; 6 – отражательный козырек;
7 – распределительный лоток; 8 – периферийный лоток для сбора осветленной воды; 9 – отводящий трубопровод; 10 – отстойник, 11 – кольцевая полупогружная перегородка; 12 – трубопровод для отвода осадка
54

Вертикальный отстойник этого типа увеличивает эффект задержания взвешенных веществ до 60 % или при сохранении эффекта осветления обычного вертикального отстойника увеличивает
пропускную способность примерно в 1,5 раза.
Основными преимуществами этих вертикальных отстойников
являются простота конструкции и удобство эксплуатации. К недостаткам относится большая глубина сооружений.
Радиальные отстойники применяют на станциях пропускной
способностью более 20 000 м3/сут. Как показано на рис. 4.1 и 4.5
и 4.6, в плане они представляет собой круглые резервуары. Сточная
вода подается в центр отстойника снизу вверх и движется радиально от центра к периферии. Особенностью гидравлического режима
работы радиального отстойника является то, что скорость движения воды изменяется от максимального его значения в центре отстойника до минимального у периферии. Плавающие вещества
(см. рис. 4.5) удаляются с поверхности воды в отстойнике подвесным устройством, размещенным на вращающейся ферме, и поступают в приемный бункер или в сборный лоток.
Выпадающий осадок с помощью скребков, укрепленных на
подвижной ферме, сдвигается в приямок отстойника. Частота вращения подвижной фермы 2–3 ч–1. Вращение осуществляется с помощью периферийного привода с тележкой. Осадок удаляется по
трубопроводу с помощью плунжерных или центробежных незасоряющихся насосов, установленных в расположенной рядом насосной станции.
Всплывающие вещества отводятся в жиросборник.
На рис. 4.6 представлены конструктивные особенности радиальных отстойников пропускной способностью менее 20 000 м3/сут;
на рис. 4.7 – конструктивные особенности первичного радиального
отстойника с единым скребком для сбора осадка, приводимым
в действие затопленным цепным механизмом. В дополнение на
рис. 4.8 показаны особенности устройства привода цепи, а на рис. 4.9 –
опорные конструкции скребков.

55

4

4

11

7
3
1

6

10

8

2

5
3

H

7

9

6

1

3

4
2

6

S

7
D

12

Рис. 4.6. Радиальный первичный отстойник диаметром
D = 9 – 15 м и высотой Н = 4 м:
1 – железобетонная ферма; 2 – подача сточных вод; 3 – полупогружной щит;
4 – привод скребка; 5 – вал; 6 – подвеска для скребка; 7 – скребок; 8 – рычаг
для подвески скребка; 9 – круговой сборный лоток; 10 – жиросборник;
11 – отвод осветленной воды; 12 – отвод осадка
5

Рис. 4.5. Конструктивные особенности первичного радиального отстойника
со скребками для сбора осадка, закрепленными на вращающейся ферме:
1 – подводящая труба; 2 – поверхностный скребок; 3 – скребки осадка;
4 – ферма с приводом; 5 – отвод воды; 6 – отвод осадка; 7 – сбор и отвод плавающих веществ

56

В радиальных отстойниках осветленная вода поступает в круговой сборный лоток через один или через оба его борта, являющихся водосливами. В целях обеспечения более надежного выравнивания скорости движения воды на выходе из отстойника водосливы сборных лотков выполняют зубчатыми.
В Российской Федерации радиальные отстойники строят диаметром 18–54 м, а на зарубежных очистных станциях – диаметром
6–60 м и более.

57

50 500
9

1
2

10

3
1

3

2

4

4
2
3

5
6
7
8
9

Рис. 4.8. Привод цепи:
1 – электропривод с мотор-редуктором;
2 – ведущее колесо; 3 – замкнутая цепь;
4 – предохранитель цепи
а)

Поверхность воды

б)
1

3

Радиальные отстойники
применяют в качестве как
первичных, так и вторичных.
Отношение диаметра отстойника к его глубине у периферийного водосборного лотка
принимают от 6 до 12.
Отстойники задерживают до
60 % взвешенных веществ.
Основными преимуществами радиальных отстойников являются простота
эксплуатации и низкая удельная материалоемкость. К недостаткам относится уменьшение коэффициента объемного использования из-за высоких градиентов скорости
в центральной части.

2

2

600

3
200

3

∼1000

Рис. 4.7. Конструктивные особенности первичного радиального отстойника
с единым скребком для сбора осадка, приводимым в действие затопленным
цепным механизмом:
1 – подводящая труба; 2 – поверхностный скребок; 3 – скребки осадка;
4 – опоры скребков; 5 – замкнутая цепь; 6 – ведомые колеса; 7 – автоматический натяжитель цепи; 8 – ведущее колесо; 9 – круговой водосборный желоб

Рис. 4.9. Опорные конструкции скребков:
1 – поверхностный скребок; 2 – скребки осадка; 3 – колесные опоры

58

59

4.2. Расчет отстойников
4.2.1. Метод расчета отстойников на основе кинетики
осветления воды в покоящейся жидкости

(4.2)

Для отстойника глубиной слоя воды Н
n

H  2
t H = t set   .
 h1 
Колебания значения n2: при t = 0 n2 = 0, при tset → ∞ n2 = 0, так
t
как значения t1 и t2 сравниваются, и lg 2 = 0 .
t1
Показатель степени n2 показан на черт. 2 СНиП 2.04.03–85 [9]
или может быть вычислен по формуле
2 
 1
⋅ e – a 2  (1,59 – 0,53lg C en ) ,
(4.3)
n 2 = 2,55 
 2π

Э – 58
; Э – эффект осветления, %; Cen – исходная
в которой a =
10
концентрация загрязнений по взвешенным веществам, мг/л, n2 так
же можно определить по графику, представленном на рис. 4.11.

4

1
2

3

n2

Э, %

Для этого проводятся лабораторные эксперименты по кинетике осветления сточных вод в цилиндрах диаметром более 120 мм
и высотой слоя жидкости не менее 700–1000 мм. Через два-три
пробоотборных штуцера отбираются пробы осветленной воды в течение двух часов. Результаты анализов на содержание взвешенных
веществ отображаются в виде графика, показанного на рис. 4.10,
для цилиндра высотой h1 = 500 мм (стандарт) и h2 = 1000 мм и более. Разница между отрезками времени t1 и t2 при одинаковом эффекте осветления обусловлена агломерацией (укрупнением) частиц
взвеси, этот процесс математически выражен в виде показателя
степени n2
 
lg t 2 
 t1 
(4.1)
n2 =
.
 h2 
lg 
 h1 

n

h  2
t 2 = t set  2  .
 h1 

2
1

t1

t2
t, с

Рис. 4.10. Кривые зависимости эффекта осветления сточной воды
от времени: 1 – при h1 = 500 мм; 2 – при h2 = 1000 мм

Параметры первого по высоте пробоотборника (h1 = 500 мм)
и продолжительности осветления t1 (tset) приняты как стандартные
значения, относительно которых производятся вычисления
60

Cen, мг/л

Рис. 4.11. Зависимость показателя степени n2 от исходной концентрации
взвешенных веществ в сточных водах при эффекте осветления:
1, 2, 3, 4 – Э = 40, 50, 60, 70 % соответственно

Результаты лабораторного опыта переносятся на расчет производственных сооружений с учетом коэффициента полезного использования объема проточных отстойников Kset.
61

Зафиксированные коэффициенты объемного использования
Kset для типовых отстойников принято назначать Kset равными 0,5
для горизонтальных, 0,45 для радиальных и 0,35 для обычных вертикальных отстойников.
Гидравлическая крупность (скорость осаждения частиц взвеси) в отстойниках определяется двумя способами.
Калицун В. И. [37] предложил такое выражение:

1000 H set
.
tH
 H set  n 2

t set 
 h1 
Значения tset приведены в табл. 4.1
u0 =

Эффект
осветления,
%
20
30
40
50
60
70

1000 H set

=

(4.4)

Таблица 4.1

Продолжительность отстаивания tset, с,
в слое h1 = 500 мм при концентрации взвешенных
веществ, мг/л
200
300
400
600
540
480
960
900
840
1440
1200
1080
2160
1800
1500
7200
3600
2700
–
–
7200

И. В. Скирдов предложил формулу иного вида, которая использована в СНиП [9]:
1000 H set K set
.
(4.5)
u0 =
n2
H
 K set set 

t set 
h1 

Значение tset, соответствующее формуле (4.5) приведено
в табл. 4.2.
Горизонтальные отстойники рассчитываются по формулам:
В. И. Калицуна:
n

L = H set
u0

 H set  2

 V
t set  h1 
V
.
=
1000 K set
K set
62

(4.6)

Таблица 4.2
Э, %

Cen, мг/л
300
–
320
450
640
970
2600

200
300
540
650
900
1200
3600

20
30
40
50
60
70

500
–
260
390
450
680
1830

По И. В. Скирдову, коэффициент полезного действия объема
отстойника применяется дважды: первый раз при определении гидравлической крупности и второй раз при вычислении размеров отстойника, например, горизонтального типа

 K set H set 

H set t set 
h1 

L=
1000 H set K set

n2

n

 K set H set  2

 V
t set 
V
h1 
.
=
1000 K 2set
K set

(4.7)

Так же для радиальных и вертикальных отстойников по формулам:
В. И. Калицуна


 n2
Q ⋅ t set  H set 
 h1  ;
R=
3,6π H set K 1set

(4.8)

И. В. Скирдова

R=

Q
3,6π K set

K set H set
Q t set
h1
=
3,6π H set K 2set
u0

n2

,

(4.9)

где Q – расход сточных вод, м3/ч; u0 – гидравлическая крупность
в мм/с.
Следует отметить, что кинетика осветления сточных вод определяется на очистных станциях крайне редко, поэтому приведен63

ные выше методы расчета не учитывают конкретные особенности
состава стоков, в частности зольность взвешенных веществ.
Метод связан с необходимостью определения:
• кинетики осветления сточных вод, для оценки которой требуется проведение лабораторных экспериментов по кинетике осветления сточных вод в цилиндрах диаметром более 120 мм и высотой слоя жидкости не менее 700–1000 мм и более;
• коэффициента объемного использования Kset, для оценки
которого требуется измерение скоростей течения воды по всей глубине отстойной зоны (в нескольких сечениях) и установлениние активной зоны либо трассирование сооружений;
• коэффициента полезного действия η, для оценки которого
требуется проведение технологического анализа работы отстойников.
Далее определяются число и конструктивные размеры первичных отстойников при принятых на предыдущих этапах расчета
параметрах.
Выбор способа выгрузки осадка. При этом исходят из того,
что осадок из вертикальных отстойников удаляют под действием
гидростатического давления через иловую трубу диаметром 200 мм,
выпуск которой расположен на 1,5–2 м ниже уровня воды в отстойнике. В отличие от вертикальных отстойников, осадок из радиальных отстойников удаляется по трубопроводу с помощью насосов,
установленных в расположенной рядом насосной станции. Удаление осадка из горизонтальных отстойников может осуществляться
двумя способами: под гидростатическим давлением или насосной
станцией. При включении в состав проекта насосной станции регулирование ее производительности осуществляют путем изменения
частоты вращения электродвигателя насоса. Кроме того, для определения ее оптимальной производительности предложено [17]
осадки забирать насосом, по крайней мере, из одного сектора нижней части первичных отстойников с постоянным уровнем воды
и перекачивать в резервуар со свободным изливом. При этом на
этапе наладки необходимо экспериментально устанавливать для
данных осадков зависимость нижних граничных значений частоты
вращения от производительности насоса, а в процессе эксплуатации вычислять по установленной зависимости и заданной производительности нижнее граничное значение частоты вращения, сравнивать частоту вращения насоса с полученными приведенными
граничными значениями и при выходе ее за пределы этих значений
64

выключать насос или переходить на откачку осадков из других секторов или других отстойников.
4.2.2. Особенности расчета по результатам эксплуатации
отстойников
Расчет первичных отстойников можно проводить по результатам эксплуатации сооружений в производственных условиях, используя статистику эффективности их при колебаниях расхода
и состава воды.
Основные влияющие параметры (по степени их влияния)
представляются в такой последовательности: средняя продолжительность осветления tср, с; зольность взвешенных веществ s, доли
единицы; нагрузка на водосливы сборных лотков, qвод, м3/(час на
1 пог. м лотков); глубина проточной части Hset, м; концентрация
взвешенных веществ Cen, мг/л; частота выгрузки осадка n раз в сутки и концентрация твердой части в осадке Сос, г/л.
В общем виде зависимость такова

C
0,03 H set
lg en = 4,25 t 0,59
ср C en
q вод
C ex

0,25

n
C oc

0,05

S 0,88 10– 3 . (4.10)

Обработка статистического материала работы первичных отстойников на очистных сооружениях Москвы и Санкт-Петербурга
позволила составить формулу (4.10). Для иллюстрации на рис. 4.12,
а представлены результаты расчета по ней.
Начальный расчет радиальных отстойников, без учета условий
выгрузки осадка, следует проводить по формуле





lg C en  = 3,7 H set 
q 
 C ex 
 вод 

0,25
0,59 0,88
⋅ 10 – 3 .
C 0,03
en ⋅ t ср ⋅ s

(4.11)

На базе обобщенных материалов были получены формулы
с сокращенным количеством параметров. Наиболее простая из них
определена для типовых значений Сen = 200 мг/л, S = 0,37; qвод =
= 6,75 м3/ч на 1 пог. м:
65



lg C en  = 1,53t 0ср,5910– 3 .
 C ex 

2

3

C
H set
lg en = 3,7
q вод
C ex

Э, %

Cex, мг/л

4

(4.14)

б)
3

4
Э, %

Cex, мг/л

2

0, 25
0,59
C 0,03
S 0,88 10– 3 .
en t ср

(4.15)

Для вертикальных отстойников множитель 3,7 заменяется на
значение 3,2.
По этим формулам возможно дать быструю оценку эффективности работы радиальных и горизонтальных первичных отстойников в реальных эксплуатационных условиях. В случае часто меняющегося состава поступающих сточных вод, что характерно для
общесплавных и комбинированных систем водоотведения, прогноз
качества осветленных стоков и оперативное управление сооружениями становится возможным только при использовании эксплуатационных математических моделей.
На рис. 4.13 показаны результаты расчетов первичного отстойника Д = 54 м по рассмотренным ранее методам.

t, с

1

C en
0,59
= 3,19 C 0,03
S 0,88 10– 3 .
en t ср
C ex

Если известны, либо заданы конкретные значения Hset, длина
водослива (следовательно, и qвод), то формула такова:

а)
1

lg

(4.12)

Рис. 4.12. Эффективность осветления воды по формуле (4.10) (а) и (4.11) (б)
при Hset = 3 м; n = 5; Coc= 40 г/л; qвод= 5 м3/ч на 1 пог. м;
1 – Сex при Cen= 200 мг/л; 2 – то же, 300 мг/л; 3 – то же, 400 мг/л; 4 – Э, %

Э, %

t, с
1

2

3

То же, при известной величине Сen:
C 
0,59 –3
.
lg en  = 1,33 ⋅ C 0,03
en t ср 10
 C ex 

(4.13)

Если известна зольность взвешенных веществ, то формула такова:
66

Продолжительность отстаивания, с

Рис. 4.13. Сравнение результатов расчета первичных отстойников:
1 – по методу И. В. Скирдова; 2 – по методу В. И. Калицуна;
3 – по результатам эксплуатации

67

Отметим близкую сходимость результатов как и по И. В. Скирдову, так и по В. И. Калицуну. Между ними расположились данные
по эксплуатационной модели.
4.3. Определение состава осветленной воды
В составе органических нерастворимых веществ в выпавшем
осадке удаляется значительная часть загрязнений, оцениваемых
в виде ХПК, БПКп, БПК5, органического азота и фосфора. По материалам эксплуатации отстойников были определены эквивалентные
количества удаляемых примесей по упомянутым показателям. Количество удаляемых примесей принималось пропорциональным
беззольному веществу осаждающихся взвешенных веществ: количество задержанной взвеси равно ЭСen, беззольная часть их составляет ЭСen(1–S). Если обозначить эквивалентное количество удаляемых примесей φi, то вид формулы становится таким:
Сосв = Снеосв – ϕi ЭСen (1 – S).

(4.16)

Значения φi, полученные для Центральной (ЦСА), Северной
(ССА) и Пушкинской (ПСА) станций аэрации, представлены
в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Загрязняющие
компоненты
ХПК
БПК5
Nобщ
Pобщ

Эквивалентное количество удаляемых примесей
по отношению к беззольному веществу осевшей
взвеси (ϕ1)
Станции аэрации
Среднее
ЦСА
ССА
ПСА
1,69
1,66
1,72
1,69
0,68
0,59
0,87
0,71
0,076
0.096
0,046
0,072
0,027
0,024
0,013
0,018

4.4. Подбраживание осадка сточных вод
Вытеснение фосфора и денитрификация сдерживаются при
недостатке легкоусваиваемых органических веществ в сточных водах. В то же время значительная часть таких веществ может быть
получена из осадка первичных отстойников. Оседающие взвешен68

ные вещества труднодоступны для усвоения активным илом без
предварительной подготовки, заключающейся в слабокислом брожении осадка. Жиры, белки, углеводы (растительная клетчатка) самыми разнообразными микробами при участии многочисленных
ферментов сбраживаются до органических кислот. Процесс брожения происходит в субанаэробных условиях: растворенный кислород
отсутствует, для дыхания бактерии включают химические процессы использования кислорода анионов типа NO 2– , NO 3– , SO 4– 2 ,
а также кислорода органических веществ. Среда в жидкости восстановительная (отрицательный окислительное – восстановительный потенциал), основной активный компонент – катион водорода.
В ходе брожения интенсивно выделяется углекислый газ, полезно повышая карбонатную щелочность воды. Образующиеся
продукты насыщают жидкость усваиваемыми кислотами, из которых относительно легко определяются летучие кислоты жирного
ряда (ЛЖК) с малым числом атомов углерода (2–8 атомов). Выделение газов способствует перемешиванию осадка; кроме того, непрерывное перемешивание ведут при помощи скребков. Помимо
кислот, полезное действие оказывают тонкие взвеси и коллоидные
частицы, более доступные, нежели более крупные частицы взвеси.
В результате брожения удается снизить количество азота общего
фосфора в очищенной воде на 1–2 и 0,5 мг/л соответственно по N и P.
Продолжительность брожения зависит от температуры воды:
15–20 сут в диапазоне 10–15 ºC, 10–12 сут при t = 15–20 ºC. В первом приближении продолжительность пребывания осадка в осадочной части первичных отстойников вычисляется так:
Wф
,
(4.17)
t бр =
W сут
где Wф – объем осадочной части отстойника, отведенный под ферментатор, м3; Wсут – объем суточной загрузки свежевыпавшего
осадка, м3/сут:
Q сут C en Э 100
,
(4.18)
W сут =
100 – Вл
106
где Сеп – концентрация взвешенных веществ, г/м3; Э – эффект осветления доли единицы; Вл – влажность выпавшего осадка (примерно 97 %).
69

Во избежание переуплотнения осадка в придонной области
отстойника следует производить выгрузку части осадка через 2–3
суток.
Бесконечно большое разнообразие образующихся и распадающихся органических веществ затрудняет контроль за ходом
брожения. Непрерывное и одновременное продуцирование и расходование кислот представляет собой динамический процесс, в котором одномоментная фиксация показателя больше приводит к затруднению, чем к прояснению картины.
Нацеливаясь на оперативное использование результатов измерений в условиях эксплуатации очистных сооружений, предлагаем
такой способ оценки хода брожения. Известно, что в восстановительных условиях происходит такая трансформация соединений
серы:
SO4– 2 → SO3– 2 → S2 → H 2 S
Образование сульфидов и сероводорода наблюдается в условиях достаточно глубокого анаэробиоза, непосредственно предшествующего метановому брожению, когда нитриты, нитраты и сульфаты восстановлены. Опытами установлено, что при наличии даже
небольшого количества нитратов образование сероводородов
отсутствует. Наличие сероводорода вызывает потемнение жидкости, появление запахов, и может быть зафиксировано эксплуатационным персоналом даже без привлечения приборов и аналитических измерений.
Бродящий в отстойнике осадок насыщается газами и периодически всплывает отдельными агрегатами. На поверхности воды агрегаты разрушаются, газы выделяются, и комки осадка вновь оседают. Такая миграция твердых частиц снижает эффект осветления
до 50–55 %. Учитывая сложность точного учета процесса циркуляции осадка, считаем необходимым вести расчет отстойников на
эффект осветления 60–65 % (по среднему расходу), опираясь на
опыт работы действующих очистных станций, когда недостатки осветления воды компенсируются снижением количества азота
и фосфора.

70

Лекция 5. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА БЕЗ УЧЕТА
НИТРИФИКАЦИИ И ДЕНИТРИФИКАЦИИ
5.1. Биологические фильтры
5.1.1. Описание процессов, происходящих
при очистке сточных вод
Биофильтры [31] предназначены для полной и неполной биохимической очистки сточных вод и представляют собой сооружения,
заполненные различного рода загрузкой. На поверхности загрузки
развивается прикрепленная к ней биологическая масса (пленка), которая осуществляет процесс изъятия и окисления загрязнений сточных вод. Ход биохимического процесса, происходящего в биофильтрах, принципиально не отличается от его протекания в аэротенках,
однако процессы массообмена (подвод субстрата, кислорода, отвод
продуктов реакций) в этих сооружениях разные.
Сущность работы биофильтров можно схематично проиллюстрировать рис. 5.1, где изображен элемент загрузочного материала
с закрепленной на нем биопленкой. Сточная жидкость протекает
тонким слоем по поверхности загрузки, покрытой биомассой, при
этом осуществляется контакт загрязнений сточных вод с биопленкой. Микроорганизмы биопленки изымают из протекающей жидкости органические загрязнения и окисляют их. Продукты распада
органического вещества выносятся в слой жидкости и отводятся
(растворенные вещества – с жидкостью, газообразные – с воздухом). Одновременно происходит вымывание потоком жидкости избыточной (прирастающей) биомассы.
Требуемый для протекания биохимического процесса кислород поступает из воздуха, заполняющего поровое пространство
биофильтра. Кислород воздуха растворяется в жидкости и вместе
с ней подводится к биологической пленке.
Из рассмотренной схемы очевидно, что скорость биохимического процесса очистки сточных вод будет зависеть от скорости
подвода к активной биологической массе загрязнений и кислорода
воздуха. Перенос загрязнений из жидкости в биопленку и кислорода воздуха из порового пространства в жидкость осуществляется
через поверхность раздела фаз «биопленка – жидкость» и «воздух –
жидкость». Скорость этих процессов определяется концентрацией
71

загрязнений в жидкости, составом воздуха в порах загрузки, площадью поверхности загрузки, а также режимом протекания жидкости. Рассмотрим, как влияют указанные параметры на скорость
процесса. При повышении концентрации загрязнений в протекающей по загрузке жидкости будет увеличиваться (до определенного
предела) градиент скорости их переноса к биологической пленке,
а следовательно, и скорость биохимического процесса. Скорость
переноса загрязнений через слой движущейся жидкости к биопленке зависит и от режима потока жидкости. При ламинарном режиме
потока подвод растворенных загрязнений будет определяться, в основном, молекулярной диффузией вещества за счет разности его
концентраций на границе раздела фаз «жидкость – воздух» (где
концентрация загрязнений максимальная) и «жидкость – биопленка» (где концентрация загрязнений будет минимальной). В случае
турбулентного режима движения жидкости значительное влияние
на скорость переноса вещества в продольном направлении
(рис. 5.1) оказывает перемешивание жидкости. При турбулентной
Сточная
жидкость

О2

О2

Загрязнения

Анаэробная Анаэробная зона
зона
Загрузка

Продукты
реакции

О2

Поровое
пространство

Биопленка

Рис. 5.1. Схема подвода загрязнений и кислорода и отвода продуктов реакций
от биопленки при работе биофильтров (сущность массообменных процессов,
происходящих в биофильтре)
72

диффузии скорость переноса вещества может намного превышать
скорость молекулярной диффузии и, следовательно, при турбулентном режиме движения скорость биохимического процесса будет значительно выше, чем при ламинарном потоке.
Как было сказано ранее, скорость биохимического процесса
очистки сточных вод в биофильтре зависит от площади поверхности раздела фаз «биопленка – жидкость», через которую осуществляется поступление загрязнений к бактериальным клеткам. Очевидно, что чем больше эта поверхность, тем интенсивнее может
протекать процесс изъятия загрязнений из жидкости. Таким образом, одним из факторов, определяющих скорость процесса в биофильтрах, является поверхность биологической пленки, которая зависит от поверхности загрузочного материала. Биофильтры, загрузочный материал которых имеет высокую удельную поверхность,
будут работать эффективнее, чем биофильтры с менее развитой поверхностью загрузки.
В отличие от аэротенков, где увеличение общего количества
биомассы позволяет повысить скорость процесса, в биофильтрах
увеличение массы биопленки не обеспечивает того же результата.
При значительном накоплении биомассы в загрузке активно работающим остается по-прежнему наружный аэробный слой, а внутри
(у поверхности загрузки) может иметь место анаэробная зона биомассы, не участвующая активно в изъятии и окислении загрязнений
(см. рис. 5.1). Увеличение количества биомассы в загрузке уменьшает объем ее порового пространства, затрудняет воздухообмен
и может привести к полному закупориванию пор верхнего слоя загрузки и нарушению работы биофильтра.
Прирост биологической массы зависит от состава сточных вод
и концентрации загрязнений. Подача концентрированных по загрязнениям сточных вод на биофильтры может привести к чрезмерному приросту биомассы. Во избежание этого применяют предварительное разбавление исходных сточных вод, обычно очищенной жидкостью (рециркуляция). Мерой борьбы против заиления
может служить и повышенная нагрузка по воде на биофильтры
(гидравлическая нагрузка), при которой достигается достаточно интенсивная промывка пор загрузки.
При установившейся работе биофильтра прирост биопленки
должен равняться ее выносу из загрузки с очищенной жидкостью.
Обеспечить такой режим работы биофильтра можно, как было ука73

зано, с одной стороны, регулируя прирост биомассы путем разбавления исходных сточных вод для снижения концентрации загрязнений и, с другой – регулируя вынос биопленки путем изменения
гидравлической нагрузки на сооружение. Регулирующим параметром биофильтров может быть, например, введение рециркуляции
очищенной жидкости, которая позволяет снизить начальную концентрацию загрязнений и одновременно увеличить гидравлическую
нагрузку.
Скорость биохимического процесса может зависеть и от количества подводимого к биопленке кислорода воздуха. При недостаточном поступлении кислорода процесс будет замедляться; увеличение скорости подвода кислорода к бактериальным клеткам позволяет ускорить протекание биохимического процесса. Однако
влияние количества подводимого кислорода к биомассе на скорость
процесса сказывается до определенного предела. Поскольку в биофильтрах кислород черпается из воздуха, заключенного в поровом
пространстве загрузки, регулирование скорости его подвода может
осуществляться путем изменения расхода воздуха, подаваемого
в биофильтры.
ОСВ

ЦОВ

В

ОВ
БП

Рис. 5.2. Технологическая схема работы биофильтра:
1 – ороситель; 2 – загрузка; 3 – плиты с отверстиями; 4 – вентилятор; 5 – вторичный отстойник; 6 – насос; 7 – гидрозатвор; ОСВ – осветленная сточная
вода; ОВ – очищенная вода; ЦОВ – циркуляция очищенной воды; БП – выгрузка биопленки; В – воздух
74

5.1.2. Типы биофильтров
Основным отличительным признаком биофильтров является
его производительность по количеству изымаемых загрязнений.
В соответствии с этим признаком различные типы биофильтров
можно разделить на:
• биофильтры капельные (низкопроизводительные);
• биофильтры высоконагружаемые (высокопроизводительные).
Капельные биофильтры имеют высоту 1–2 м, работают с низкой гидравлической нагрузкой 1–3 м3/(м2⋅сут) при естественной
вентиляции. Применение капельных биофильтров рекомендуется
для расходов сточных вод до 1000 м3/сут. Высоконагружаемые
биофильтры применяют на крупных очистных станциях производительностью до 50 тыс. м3/сут. Отличительными особенностями
высоконагружаемых биофильтров являются:
• большая высота загрузки;
• повышенная гидравлическая нагрузка на поверхность сооружения;
• применение в ряде случаев рециркуляции очищенной жидкости и искусственной (принудительной) вентиляции;
• использование загрузочного материала, имеющего более
крупные поры, или материала, обладающего высокой пористостью
и удельной поверхностью.
Рабочая высота высоконагружаемых биофильтров составляет
2–4 м, гидравлическая нагрузка 10–30 м3/(м2⋅сут).
Повышенная нагрузка по воде на поверхность высоконагружаемых биофильтров обусловливает турбулентный режим движения слоев жидкости через загрузку и за счет этого более высокие
скорости подвода загрязнений и растворенного кислорода к биопленке, а следовательно, и более высокую скорость изъятия загрязнений, чем в капельных биофильтрах, где имеет место преимущественно ламинарный режим потока жидкости.
Увеличение высоты загрузки высоконагружаемых биофильтров
по сравнению с капельными позволяет достичь требуемую для данного эффекта очистки сточных вод продолжительность пребывания
жидкости в загрузке при более высоких скоростях ее движения.
Предельно допустимая концентрация загрязнений по БПК20
сточных вод, поступающих на капельные биофильтры, составляет
75

220 мг/л, для высоконагружаемых – 300 мг/л. Высокая исходная
концентрация загрязнений сточных вод, поступающих на высоконагружаемые биофильтры при повышенной нагрузке по загрязнениям на 1 м3 объема сооружения, вызывает интенсивный прирост
биомассы. Вынос избыточной биомассы, соответствующий ее приросту, обеспечивается при определенной гидравлической нагрузке,
которая назначается более высокой тогда, когда более значителен
прирост биомассы.
Значительное количество биомассы и высокая скорость протекания биохимического процесса в высоконагружаемых биофильтрах вызывает необходимость применения загрузочного материала
с более высокой пористостью (или более крупными порами), при
которой обеспечивалась бы достаточная интенсивность воздухообмена в биофильтре в случае работы сооружения с естественной
вентиляцией. Для увеличения расхода воздуха, проходящего через
загрузку, может быть предусмотрена искусственная (принудительная) вентиляция.
Применяемый в настоящее время для загрузки биофильтров
материал можно разделить на два типа:
 объемная (кусковая) загрузка;
 плоскостная загрузка.
К первому типу загрузки относятся щебень, гравий твердых
горных пород, кокс, керамзит и др. с различной крупностью кусков
материала. Такой материал характеризуется следующими данными:
пористость 40–50 %, объемный вес 500–1500 кг/м3.
Объемная загрузка, применяемая для капельных биофильтров,
имеет крупность фракций 20–30 мм, для высоконагружаемых биофильтров 40–60 мм. При этом объем одной поры загрузки башенных биофильтров в 20–30 раз больше, чем загрузки капельных
биофильтров.
В качестве плоскостной загрузки могут использоваться кольца, обрезки труб и другие засыпные элементы (керамические, пластмассовые, асбоцементные и др.), жесткий листовой материал
(пластмасса, асбоцемент) и мягкие рулонные материалы (пластмассовая пленка, синтетические ткани). Загрузка выполняется в виде
отдельных блоков и кассет, либо закрепляется на специальных каркасах или свободно укладывается (навешивается) в биофильтре.
Плоскостная загрузка по сравнению с объемной загрузкой
имеет большую удельную поверхность (на единицу объема) и вы76

сокую пористость, что позволяет значительно увеличить производительность биофильтров с такой загрузкой.
Пористость загрузки из засыпных элементов составляет 70–90 %,
из листовых материалов 80–97 %, из рулонных материалов 94–99 %.
Ввиду высокой пористости загрузки не требуется принудительной
вентиляции биофильтров. Удельная поверхность этих видов плоскостной загрузки равняется: засыпной 70–100 м2/м3, листовой
и рулонной 80–130 м2/м3. Плоскостная загрузка характеризуется
меньшим объемным весом (100–600 кг/м3 – засыпная; 40–100 кг/м3 –
жесткая листовая и 5–60 кг/м3 – рулонная загрузка). Это позволяет
применять облегченные конструкции стенок биофильтра, удешевляет транспортирование загрузки и упрощает замену загрузки
в процессе эксплуатации. Отдельные виды объемной загрузки (например, пластмассовая рулонная пленка) дешевле, чем объемная
загрузка из естественных пород.
5.2. Расчет биологических фильтров
5.2.1. Биофильтры с объемной загрузкой из естественных
материалов
В качестве загрузочного материала для таких биофильтров используют щебень, галька прочных горных пород, керамзит и другие, удовлетворяющие требованиям [9]. Рекомендуется применять:
 капельные биофильтры – для полной очистки сточных вод
на очистных станциях производительностью не более 1000 м3/сут;
 высоконагружаемые биофильтры и биофильтры большой
высоты – для полной и неполной очистки сточных вод на станциях
производительностью до 50 000 м3/сут, а при соответствующем
обосновании для более крупных станций.
Биофильтры могут применяться как самостоятельные сооружения при одноступенчатой и двухступенчатой схемах биологической очистки или в качестве сооружений первой либо второй ступени совместно с другими сооружениями биологической очистки
при двухступенчатой схеме. Число биофильтров на станции должно
быть не менее двух (все рабочие); общее количество одноступенчатых биофильтров надлежит принимать не более восьми.

77

5.2.2. Расчет высоконагружаемых биофильтров
Высоконагружаемые биофильтры рассчитываются по формуле
Lп
(5.1)
10 F ,
Lt
где Lп – БПКп поступающих сточных вод, направляемых на биофильтры, принимается не более 300 мг/л.
При более высоких концентрациях загрязнений по БПКп исходных сточных вод предусматривается работа биофильтров с рециркуляцией очищенной жидкости; Lt – БПКп очищенной жидкости,
мг/л; α, β – поправки; F – критериальный комплексc, определяется
следующим образом:

F=

HB 0,6 K Т
.
q 0,4

(5.2)

Рабочую высоту Н высоконагружаемых биофильтров следует
принимать от 2 до 4 м, гидравлическую нагрузку q в пределах
10–30 м3/(м2⋅сут), удельный расход подаваемого воздуха В 8–12 м3
на 1 м3 сточных вод.
Формула для расчета высоконагружаемых биофильтров устанавливает зависимость между основными параметрами сооружения
и позволяет получить несколько возможных решений. Оптимальный вариант определяют на основании анализа и техникоэкономического сравнения полученных решений.
Однако пользование расчетной формулой затруднительно, так
как она содержит пять переменных.
Поэтому расчет высоконагружаемых биофильтров рекомендуется проводить по табл. 5.1, составленной в соответствии с приведенной выше расчетной формулой.
Расчет осуществляют в следующей последовательности. Вычисляют отношение Kaf = Lп/Lt. Пользуясь табл. 5.1 по найденному
значению Kaf и с учетом расчетной температуры жидкости Тw принимают соответствующие величины Нaf, qaf и qa (расхода воздуха).
Если требуемое значение коэффициента K отличается от приведенных в расчетной таблице Kтабл, рекомендуется принимать для
биофильтров, работающих без рециркуляции, ближайшее большее
78

значение Kтабл, для биофильтров с рециркуляцией – ближайшее
меньше значение Kтабл.
Таблица 5.1

Параметры работы биофильтров
qa, Haf,
м3/м3 м
8
10
12

2
3
4
2
3
4
2
3
4

Tw = 8

Коэффициент Kaf при Tw, °С, Haf, м, и qaf, м3/(м2⋅сут)
Tw = 10
Tw = 12
Tw = 14

qaf = 10 qaf = 20 qaf = 30 qaf = 10 qaf = 20 qaf = 30 qaf = 10 qaf = 20 qaf = 30 qaf = 10 qaf = 20 qaf = 30

3,02
5,25
9,05
3,69
6,1
10,1
4,32
7,25
12

2,32
3,53
5,37
2,89
4,24
6,23
3,88
5,01
7,35

2,04
2,89
4,14
2,58
3,56
4,9
3,01
4,18
5,83

3,38
6,2
10,4
4,08
7,08
12,3
4,76
8,35
14,8

2,55
3,96
6,25
3,11
4,74
7,18
3,72
5,55
8,5

2,18
3,22
4,73
2,76
3,94
5,68
3,28
4,78
6,2

3,76
7,32
11,2
4,5
8,23
15,1
5,31
9,9
18,4

2,74
4,64
7,54
3,36
5,31
8,45
3,98
6,35
10,4

2,36
3,62
5,56
2,93
4,36
6,88
3,44
5,14
7,69

4,3
8,95
12,1
5,09
9,9
16,4
5,97
11,7
23,1

3,02
5,25
9,05
3,67
6,04
10
4,31
7,2
12

2,56
4,09
6,54
3,16
4,84
7,42
3,7
5,72
8,83

Примечание. Для промежуточных значений qa, Haf и Tw допускается величину Kaf определять интерполяцией.

5.2.3. Математическая модель биофильтров
По результатам обширных исследований Ю. А. Феофанов
сформулировал модель работы биофильтров [31] различного назначения на основе модели цепочки ячеечных реакторов с учетом коэффициента полезного использования поверхности загрузки αs, нестационарности кинетики изъятия загрязнений, начальной концентрации примесей, температуры воды и способности загрязнений
к окислению бактериями биопленки. Модель в общем виде
T – 20
α
τ α1 α s s 2 C α0 3
С0
K θ
= 1+ 4
m
Ct

m

,

(5.3)

где C0 и Ct – начальное и конечное значение концентрации загрязнений (по БПК или ХПК); θТ–20 – температурная поправка; τ – продолжительность пребывания воды в ячейке; αss – полезно используемая площадь поверхности загрузки; m – число ячеек реактора
(по результатам трассирования загрузки биофильтра).
79

Конкретные значения параметров приведены ниже: K4 = 0,516;
α1 = 0,52; α2 = 0,2; α3 = 0,18;

τ
τ = 36q – 0,5 s 0,44 ; m = 60 
Н

– 0,9

Cн

s 0,27 ; α s = 0,37 q 0,52 s – 0,54 .

D1
2

5.3. Аэротенки
5.3.1. Процесс биохимической очистки сточных вод
в аэротенках
Аэротенками принято называть сооружения, в которых осуществляется изъятие и окисление органических загрязнений при помощи сообщества водных микроорганизмов. Необходимыми условиями работы аэротенка являются достаточно интенсивное перемешивание жидкости с микроорганизмами, обеспечение процесса
растворенным кислородом, установившийся режим подачи органических загрязнений на единицу веса микроорганизмов и надлежащий температурный режим. Перемешивание жидкости и растворение кислорода обеспечивают аэраторы различного типа. Сообщество микроорганизмов вырастает в сточных водах самопроизвольно
и поддерживается в нужном составе за счет соблюдения режима
нагрузки микроорганизмов органическими веществами и температуры воды. Сезонные колебания состава микроорганизмов пока не
поддаются управлению. Сообщество микроорганизмов и простейших в аэротенках принято называть активным илом. Активный ил
расходует органические вещества загрязнений в процессе жизнедеятельности (энергетический обмен) и размножения (конструктивный обмен). Избыток микроорганизмов, появляющийся в результате их размножения, называют избыточным активным илом
и выводят из системы. Основная часть активного ила, которая выносится из аэротенка вместе со сточными водами, задерживается во
вторичных отстойниках либо илоотделителях и возвращается вновь
в аэротенк.
В общем виде, на основе результатов многократных исследований, ход процесса очистки может быть изображен так, как это
сделано на рис. 5.3. Рассмотрим ход кривых и соответствующие отрезкам времени t1–t4 режимы работы аэрационных сооружений. На
участке (по оси абсцисс) от начала опыта до времени t1 снижается
80

D2
D3

D4

Dн
C1
Nн

1

N2
C2

N1

4

C3

3
t1

N3

C4
N4

t2

t3

t
t4

Рис. 5.3. Изображение хода биохимической очистки сточных вод для активного ила со сравнительно небольшой нагрузкой по органическим веществам:
1 – снижение БПКпол или ХПК сточных вод (Сн, С1–С4); 2 – изменение концентрации активного ила (Dн, D1–D4); 3 – изменение концентрации аммонийного азота (Nн, N1–N4); 4 – кривая изменения концентрации нитратов и нитритов в сточных водах

концентрация загрязнений от Cн до С1 (кривая 1), увеличивается
концентрация ила от Dн до D1 (кривая 2), снижается концентрация
аммонийного азота (кривая 3) за счет потребления азота клетками
бактерий для роста. На отрезке от t1 до t2 количество оставшихся
загрязнений уменьшилось, активный ил самоокисляется до D2, и за
счет распада ила концентрация аммонийного азота повысилась с N1
до N2. Отсутствие нитритов и нитратов (кривая 4) свидетельствует
о неполноте очистки. Участок (t2–tз) характеризует полную очистку
сточных вод с различной степенью полноты, о которой судят по
интенсивности процесса нитрификации (кривая 4). Количество азота в форме нитритов и нитратов дает возможность оценить глубину
очистки при сравнительно небольшом изменении концентрации за81

грязнений в очищенной воде (следует сравнить С2 и С3). Прирост
ила меньше, чем при неполной очистке, снижается при этом и количество аммонийного азота.
Участок от t3 до t4 характеризует так называемую продолженную аэрацию. Процесс очистки при этом отличается интенсивной
нитрификацией, на которую расходуется основная часть кислорода.
Снижение концентрации загрязнений на этом участке незначительно; больше того, возможно увеличение загрязненности жидкости вследствие распада ила. Прирост ила к этому моменту снижается, а характер его меняется в сторону повышения зольности.
Таким образом, возможно проиллюстрировать ход биохимической очистки сточных вод в условиях контакта (в непроточных условиях).
Технологическая схема работы проточного аэротенка и вторичного отстойника показана на рис. 5.4. Смесь ила и сточных вод
аэрируется, затем поступает во вторичный отстойник, ил осаждается и насосной станцией возвращается в аэротенк.
ОСВ

ЦАИ

В

боты двухкоридорных (д/к), трехкоридорных (т/к) и четырехкоридорных (ч/к) аэротенков-вытеснителей. Циркулирующий активный
ил поступает в первый по ходу коридор. Сточные воды подаются
в одном месте: в точке а, и в этом случае аэротенки работают без
регенерации активного ила; в точке б – с 50%-ной регенерацией ила
(50 % объема всего сооружения занимает регенератор); в точке в –
при этом регенератор занимает 33 % объема аэротенка; в точке г –
регенератор занимает 25 % объема сооружения.
д/к

СВ

ИС
СВ
АИ
т/к
ИС
СВ

АИ
СВ
ч/к

ИАИ

ИС
СВ

ОВ

СВ
АИ
СВ

Рис. 5.4. Технологическая схема аэротенка:
1 – аэротенк; 2 – воздуходувка; 3 – вторичный отстойник; 4 – илосос; 5 –
иловая камера; 6 – насосная станция; ОСВ – осветленные сточные воды;
ОВ – очищенная вода; ЦАИ – циркулирующий активный ил;
ИАИ – избыточный активный ил; В – сжатый воздух

5.3.2. Технологические схемы работы аэротенков

Рис. 5.5. Схемы работы двухкоридорных (д/к), трехкоридорных (т/к), четырехкоридорных (ч/к) аэротенков-вытеснителей:
СВ – подача сточных вод; АИ – подача активного ила; ИС – иловая смесь во
вторичные отстойники; а – впуск сточных вод при отсутствии регенераторов;
б – впуск сточных вод при объеме регенератора 50 % от объема сооружения;
в и г – то же при объеме регенератора 33 и 25 %

Коридорные аэротенки. В современной практике различают
аэротенки-вытеснители и аэротенки-смесители. Разница в схеме их
работы заключается в том, что в аэротенках-смесителях поступающие стоки сразу смешиваются с частью, либо со всем содержимым
аэротенка, а в аэротенках-вытеснителях такого преднамеренного
смешивания нет. На рис. 5.5 показаны технологические схемы ра-

Предполагается, что жидкость движется от входа аэротенка
к выходу, и сточные воды не попадают в регенератор (отсутствуют
обратные токи воды, приводящие к перемешиванию содержимого
аэротенка и регенератора). Аэротенки-вытеснители имеют определенные положительные стороны – в них исключается проскок

82

83

«транзитом», без очистки сточных вод. С другой стороны, необходимо прибегать к неравномерному (по ходу коридоров) распределению воздуха, что обусловлено снижением скорости очистки по
длине аэротенка; высока опасность вывода из строя активного ила
при залповом поступлении стоков с высокой концентрацией загрязнений.
В аэротенках-смесителях стоки сразу перемешиваются со значительным объемом жидкости. На рис. 5.6 показаны возможные
способы выпуска сточных вод в двух-, трех- и четырехкоридорные
аэротенки. Стоки по лотку, располагаемому над стенкой одного из
коридоров, могут подаваться через все либо через часть выпускных
устройств (шиберы с калиброванными отверстиями). Если первые
по ходу выпускные устройства закрыты, то часть аэротенка от места ввода активного ила до ближайшего открытого устройства становится регенератором. Очевидно, что объем регенератора может
меняться в широких пределах. Иногда в конце регенератора устраивается перегородка с отверстием, которая предотвращает перемешивание содержимого аэротенка и регенератора обратными токами воды. Впускные устройства могут располагаться равномерно
либо неравномерно по длине коридоров; возможен также неравномерный впуск сточных вод через отдельные шибера, что позволяет
более интенсивно вести процесс очистки на некоторых участках
аэротенка.
Аэротенки-смесители сравнительно легко переносят залповые
поступления загрязнений, поскольку стоки разбавляются сразу
большой массой жидкости. К числу достоинств можно отнести
также сравнительно равномерное распределение скорости процесса
очистки по длине аэротенка, что позволяет более равномерно назначать интенсивность аэрации жидкости. Существенным недостатком аэротенков-смесителей является возможность проскока неочищенной воды; для борьбы с этим нежелательным явлением
часть последнего коридора либо весь коридор не имеют впусков
жидкости.
В представленных выше коридорных аэротенках иловая смесь
из аэротенков направляется на вторичные отстойники, в которых
производится отстаивание (осаждение) активного ила. Осевший активный ил должен храниться на дне отстойников не более 2 часов,
после чего при помощи насосов он возвращается в начало аэротенков для повторного (многократного) использования.
84

д/к
ИС

СВ
АИ

П
т/к
ИС

СВ
АИ

П
ч/к
ИС

СВ

П
АИ

Рис. 5.6. Схемы работы двухкоридорных, трехкоридорных, и четырехкоридорных аэротенков-смесителей:
1–10 – возможные места впуска сточных вод в аэротенк; П – условное место
конца регенератора (иногда ограниченного перегородкой)

На небольших по производительности очистных сооружениях
применяются аэротенки-отстойники, биореакторы (сочетание аэротенков и погружных биофильтров) и другие блочно-модульные
комбинации окислителей.
5.3.3. Расчет аэротенков
Расчет аэротенков по последним нормам [9] базируется на ряде новых представлений о характере биохимической очистки. Весь
процесс условно разбивается на два акта взаимодействия: изъятие
загрязнений активным илом и окисление их в процессе регенерации
ила. Изъятие загрязнений является более интенсивным процессом
и заканчивается за сравнительно небольшой период времени.
Окисление изъятых илом загрязнений происходит более медленно,
причем этот процесс может происходить как в контакте с очищае85

мой водой (т. е. в аэротенке), так и раздельно (в регенераторе).
Графическое изображение хода биохимической очистки в аэротенках представлено на рис. 5.7.
Снижение концентрации загрязнений (по БПК) происходит по
кривой 1 от значения Len до Lex. Изъятие загрязнений сопровождается частичным их окислением, а оставшаяся часть накапливается
в активном иле внутри и вне тела клеток микроорганизмов. Если
изъятие загрязнений измеряется снижением показателя БПК и фиксируется сравнительно точно, то показатель степени окисления загрязнений, однозначно фиксирующий окончание процесса, отсутствует.
В связи с упомянутыми затруднениями окончание процесса
окисления определяется по ряду косвенных параметров – скорости
потребления кислорода активным илом, составу биоценоза активного ила, иловому индексу, ферментативной активности и т. д.
Len

2
1

Lex
t
tat

tr
t0

Рис. 5.7. Изображение хода биохимической очистки сточных вод в аэротенках с регенераторами:
1 – кривая изъятия органических веществ из сточных вод; 2 – то же окисления загрязнений

Расчет аэротенков без регенераторов
В зависимости от концентрации сточных вод и степени их
очистки меняется общая продолжительность обработки стоков и
соотношение между длительностью процессов изъятия и окисления
загрязнений. Если БПК сточных вод составляет 100–150 мг/л, то
общая продолжительность обработки сточных вод колеблется от
1,2–2 до 5–6 ч (соответственно для БПК очищенной воды 50–15 мг/л).
На таком сравнительно небольшом отрезке времени целесообразно
не выделять процессы, происходящие в аэротенке и регенераторах
в отдельности, а весь акт взаимодействия – изъятие загрязнений
и их окисление – производить в контакте с очищаемой водой.
Аэротенки без регенераторов рекомендуется применять при БПК
сточных вод до 150 мг/л, а в некоторых случаях до 200 мг/л. Продолжительность аэрации определяется осредненной скоростью
окисления загрязнений принимаемой равной произведению
аi(1–S)ρ. Величина аi представляет собой дозу (концентрацию) активного ила в аэротенке в г/л, S – зольность ила (в долях единицы),
а ρ – удельную скорость окисления загрязнений в мг БПКп на 1 г
беззольного вещества ила в час. Считают, что в иле активной является беззольная (органическая) часть его, поскольку показатель
БПК включает расход кислорода на окисление только органических
веществ. Продолжительность и скорость окисления определяют по
формулам
L – L ex
(5.4)
;
t = en
ai 1 – S
1
Lex CO
.
(5.5)
ρ = ρ max
Lex C O + K l CO + K О Lex 1+ a i
Здесь ρmax – максимальная скорость окисления, мг/(г⋅ч), принимаемая по табл. 5.2; CО – концентрация растворенного кислорода, мг/л;
Kl – константа, характеризующая свойства органических загрязняющих веществ, мг БПКполн/л, и принимаемая по табл. 5.2; KО –
константа, характеризующая влияние кислорода, мг О2/л, и принимаемая по табл. 5.2; ϕ – коэффициент ингибирования продуктами
распада активного ила, л/г, принимаемый по табл. 5.2 [9].
Примечания: 1. Формулы (5.4) и (5.5) справедливы при среднегодовой
температуре сточных вод 15 °С. При иной среднегодовой температуре сточ-

86

87

ных вод Tw продолжительность аэрации, вычисленная по формуле (5.4),
должна быть умножена на отношение 15/Tw.
2. Продолжительность аэрации во всех случаях не должна быть менее 2 ч.
Таблица 5.2
Сточные воды
Городские
Производственные:
а) нефтеперерабатывающих
заводов:
I система
II система
б) азотной промышленности
в) заводов синтетического
каучука
г) целлюлозно-бумажной
промышленности:
сульфатно-целлюлозное
производство
сульфитно-целлюлозное
производство
д) заводов искусственного
волокна (вискозы)
е) фабрик первичной обработки шерсти:
I ступень
II ступень
ж) дрожжевых заводов
з) заводов органического
синтеза
и) микробиологической промышленности:
производство лизина
производство биовита и
витамицина
к) свинооткормочных комплексов:
I ступень
II ступень

ρmax, мг
Kl, мг
KО, мг
ϕ, л/г
БПКполн/(г⋅ч) БПКполн/л О2/л
85
33
0,625 0,07

S
0,3

Для расчета объема аэротенка следует обратить внимание на
рис. 5.8, изображающий формальную схему его работы. Как видно
из рисунка, объем аэротенка будет равен
W = tО(Qст + Qи) ,
где tО – общая продолжительность процесса.
Qст

33
59
140
80

3
24
6
30

1,81
1,66
2,4
0,6

0,17
0,158
1,11
0,06

–
–
–
0,15

650

100

1,5

2

0,16

700

90

1,6

2

0,17

90

35

0,7

0,27

–

(5.6)

А

Qи = RiQст

ВО

Qст

НС

ИАИ

Рис. 5.8. Расчетная схема работы аэротенка без регенератора:
Qст и Qи – подача сточных вод и циркулирующего активного ила; А – аэротенк; ВО – вторичный отстойник; НС – насосная станция активного ила

Коэффициент рециркуляции ила рассчитывается по формуле

ai ,
(5.7)
a в.о – a i
где ав.о – концентрация ила, возвращаемого из вторичного отстойника, г/л; значение ав.о рекомендуется принимать 4–8 г/л.
Ri =

32
6
232
83

156
33
90
200

–
–
1,66
1,7

0,23
0,2
0,16
0,27

–
–
0,35
–

280
1720

28
167

1,67
1,5

0,17
0,98

0,15
0,12

454
15

55
72

1,65
1,68

0,176
0,171

0,25
0,3

Примечание. Для других производств указанные параметры следует
принимать по данным научно-исследовательских организаций.

88

Расчет аэротенков с регенераторами
В основу расчета заложена схема процесса на рис. 5.7. Отдельно определяется продолжительность изъятия и окисления загрязнений. Кривая 1 изображает снижение БПК жидкости (изъятие загрязнений) во времени и описывается уравнением
2,5 L
t at = 0,5 lg en , ч ,
(5.8)
ai
Lex
где tat – продолжительность изъятия загрязнений (продолжительность аэрации сточных вод с активным илом), ч; ai – доза ила
в аэротенке, принимаемая равной 1,5 г/л.
Продолжительность окисления загрязнений tО определяется по
формуле
89

L en – L ex
(5.9)
t О = R i ⋅ a (1 – S ) ρ , ч ,
r
где Ri – коэффициент рециркуляции; ar – доза ила в регенераторе, г/л;
ρ – удельная скорость окисления, мг/г-ч; S – зольность ила (30 %).
Формула (5.9) осредненно описывает процесс окисления загрязнений (линия 2) на рис. 5.7.
Значение Ri находится по ar и ai:
ai
Ri =
,
(5.10)
a r – ai
где ar = abo – доза ила в регенераторе, принимается равной концентрации выходящего из вторичного отстойника ила.
Удельная скорость окисления ρ зависит от БПКП исходной
и очищенной жидкости; значение ее приведено в табл. 42 [9].
Разница между продолжительностью окисления tО и изъятия загрязнений tat есть время, отведенное на регенерацию активного ила:
tr = tО – tat.
(5.11)
Для определения размеров аэротенка и регенератора обратимся
к схеме на рис. 5.9.
Qст

А Qи + Qст

Р Qи

Qи = RiQст

ВО

Qст

НС

ИАИ

Общий объем аэрационного сооружения
W = Wa + Wr .

Влияние температуры сточных вод на скорость процесса
биохимической очистки в аэротенках
Учет влияния температуры производят обычно при помощи
формул, базирующихся на уравнении Фелпса. Формулы имеют такой вид:
(5.15)
K T 2= K T 1 θT 2 – T 1 ,
где K T 1 и K T 2 – температурная поправка при температуре T1 и T2;
θ – величина, принимаемая равной от 1,047 до 1,02.
В широком диапазоне изменения температуры жидкости поправка будет изображаться кривой линией. В сравнительно узком
диапазоне изменения температуры городских сточных вод кривая
линия может быть заменена отрезком прямой. В нормах принято
температурную поправку вводить к вычисленной продолжительности очистки сточных вод в виде коэффициента 15°/T °.
В Германии принята температурная поправка 1,072T–15.

Рис. 5.9. Расчетная схема работы аэротенков с регенераторами:
Р – регенератор; А – собственно аэротенк

Объем регенератора
Wr = trQи = trQcтRi .

(5.12)

Объем собственного аэротенка
Wa = tat(Qи + Qcт) = tatQcт(1 + Ri) .
90

(5.14)

(5.13)
91

Лекция 6. БИОЛОГИЧЕСКОЕ И РЕАГЕНТНОЕ УДАЛЕНИЕ
АЗОТА И ФОСФОРА
Цели и задачи биологической очистки сточных вод за последние годы существенно изменились. В прошлом веке основное внимание было уделено разрушению и окислению органических веществ с целью сохранения содержания растворенного кислорода
в водных объектах. Потребление кислорода осуществлялось гетеротрофными бактериями-деструкторами группы Pseudomonas по
формальной схеме
+
3–
C x H y O z N k P + ГМ + О2 → СО2 + Н 2О + NH4 + PO4
где ГМ – гетеротрофные микроорганизмы.
В результате деструкции органических веществ высвобождается аммонийный азот и ортофосфаты. Аммонийный азот при соблюдении соответствующих условий может быть окислен до нитритов и нитратов, но эта задача была необязательной, так как качество очищенной воды определялась по величине БПК и частично
по содержанию взвешенных веществ. Массовое поступление азота
и фосфора в водные объекты привело к их цветению (эвтрофикации), в связи с чем приоритетным направлением стало удаление
этих компонентов из сточных вод и различных видов возвратных
вод от узла обработки осадков.
6.1. Биологическое удаление азота и фосфора
Из многочисленных способов удаления азота (отдувка, сорбция) был выбран относительно простой способ биологического
окисления-восстановления по схеме процессов нитрификации и денитрификации [25–30].
Нитрификация – окисление азота до нитритов NO 2– и нитратов NO 3– – осуществляют хемоавтотрофные бактерии Nitrosomonas
и Nitrobacter по формальной схеме
+
–
–
NH 4 + АМ + О 2 → NO 2 → NO 3 ,
Nitrosomonas

Nitrobacter

где АМ – автотрофные микроорганизмы.
Хемоавтотрофные бактерии по природе являются клетками
растительного происхождения, использующими энергию окисления
92

азота для существования. Условия для роста и развития бактерийнитрификаторов – отсутствие легкоокисляемых органических веществ, наличие избытка растворенного кислорода, низкое содержание веществ, тормозящих их развитие (СПАВ, тяжелых цветных
металлов и т. д.). Нитрификаторы активно развиваются тогда, когда
из сточных вод удалено 60–70 % веществ, составляющих БПК5
сточных вод, то есть в конце процесса деструкции органических загрязнений. При низком содержании растворенного кислорода
(0,5–1,5 мг/л) деятельность бактерий ингибирована, оптимальный
диапазон 2–4 мг/л, количество кислорода свыше 4 мг/л не оказывает влияния на ход нитрификации. Бактерии отличаются более медленным ростом, чем гетеротрофы, поэтому следует внимательно
следить за удалением избыточного активного ила во избежание
обеднения сообщества нитрификаторов. Продолжительность пребывания нитрификаторов в составе активного ила принимают минимально 4–5 сут, в среднем 8–12 сут., оптимально 10–15 сут.
Нитрифицирующие бактерии, как клетки растительного происхождения, растут в виде разветвленных нитей или в виде гроздей,
предпочитая прикрепляться к какой-либо поверхности, которая
омывается водой с большим содержанием кислорода. В толще биологической пленки (без достаточного снабжения кислородом) они
погибают. Количество бактерий-нитрификаторов достигает максимально 12–15 % от веса ила. Осадок из гидроксида алюминия и железа (Al(OH)3, Fe(OH)3) является благоприятной средой для их обитания. Нитрификаторы весьма чувствительны к температуре воды:
при температуре ниже 5–6 ºС они ингибированы, при 7–8 ºС заторможены, наибольшим образом их активность проявляется в диапазоне 15–25 ºС. В области высокой температуры (более 20 ºС) негативным фактором становится понижение растворимости кислорода,
в связи с чем доставка кислорода становится лимитирующим фактором. В диапазоне температур 12–18 ºС и содержании кислорода
в воде более 2 мг/л влияние температурной поправки описывают
зависимостью
KТ = K15 1,072Т–15 ,

(6.1)

где KТ и K15 – константы скорости окисления аммонийного азота
при температуре Т по отношению к величине при 15 ºС.
93

Продолжительность нитрификации зависит от концентрации
аммонийного азота в поступающей жидкости и в очищенной воде.
С ростом концентрации азота скорость очистки повышается.
Скорость нитрификации, г N/м3·ч,
0,45

С ex
NH 4
1,072Т –15 ,
(6.2)
en
С NH 4
ex
где С en
NH 4 и С NH4 – концентрация азота аммонийных соединений
в поступающей и очищенной воде, мг/л.
Денитрификация – восстановление окислов азота до молекулярного состояния N2, характерного для атмосферы, состоящей на
80 % из азота. Гетеротрофные бактерии активного ила способны
использовать химически связанный кислород нитритов и нитратов
для дыхания
4H + + 5C + 4NO 3– → 5CO 2 + 2N 2 + 2H 2O
0,7
rн = 0,93 С en
NH 4

Происходит перенос кислорода от окислов азота к энергетически более богатому углероду, окисление которого сопровождается
большим выходом энергии для жизни бактерий. Из формальной
схемы видно, что необходим источник легкоокисляемого углерода,
в качестве которого применяются этанол, органические кислоты
(в том числе уксусная CH3COOH), сахара, загрязнения сточных вод
и накопления веществ в активном иле.
Если принять за единицу измерения биохимическую активность накоплений в иле, то активность загрязнений сточных вод
больше в 2–3 раза, органических кислот и сахаров в 4–5 раз, а этанола в 8–10 раз. В качестве органических субстратов используются
отходы лесохимической и пищевой промышленности, их количество измеряется величиной БПК5, меньшее количество – при частичном и большее – при глубоком удалении азота. Денитрификация
ослабляется или почти прекращается в присутствии растворенного
кислорода. Это явление фиксируется более точно по окислительновосстановительному потенциалу (минус 100–200 мВ). Положительное влияние на скорость денитрификации оказывает предварительная ферментация загрязнений. Следует указать, что для нитрификации предпочтительна низкая нагрузка на ил, а для денитрификации полезно увеличение нагрузки и повышенный прирост ила.

94

Объемная скорость денитрификации (г/(м3·ч) по азоту) в первую очередь зависит от обеспеченности органическим субстратом –
от удельного значения соотношения БПК5/CNд, где CNд – количество денитрифицированного азота
en
Len
уд = L / С N д .
ex
Также влияет количество подаваемого азота нитратов C NO
3
в циркуляционном потоке RN. Для относительно разбавленных стоков Санкт-Петербурга

N
)
r д = 1,33(L уд

0,6

0,12
(С АHO
1,072Т –15 ,
NO )

(6.3)

АHO
где C NO
– концентрация азота нитратов на выходе из аноксидной
зоны, 0,3–0,5 до 1,0 мг/л. Для концентрированных стоков учитывается увеличение RN:

r д = 0,83 L Nуд

0,6

ex
CNO
RN
3

0,3

С АHO
NO

0,12

1,072Т –15 .

(6.4)

Диапазон изменения параметров:

5 – 9 мг/л, С АНО
= 0,5 – 1,0 мг/л.
NO

ex

L Nуд = 5 – 15 г/г, R N = 1 – 2, СNO 3

Дефосфатирование. Биологическое удаление фосфора связано с деятельностью фосфорсодержащих и фосфораккумулирующих
бактерий. В зависимости от условий проведения биологической
очистки – в анаэробных либо аэробных условиях – происходит вытеснение или потребление фосфатов в теле клеток. В обычной обстановке в теле клеток находится 1,4–1,6 % фосфора в составе органических веществ. При цикличной смене анаэробной и затем
аэробной обстановки происходит миграция фосфора из тела клеток
и обратно. Природные микробы используют вытеснение фосфора
для выживания в анаэробных условиях, а в аэробных условиях запасают фосфаты (в виде полифосфатов Me(n+2)PnO(3n+1) с участием
Са, Mg, Al и Fe в качестве металла Me в теле клеток в аэробных условиях (поглощение фосфора).
На рис. 6.1 показано вытеснение и потребление фосфора
в анаэробных и аноксидных условиях на очистной станции Goor
95

(Голландия), отображающее это явление. По оси координат – количество фосфора мг/г ила, по оси абсцисс – время, ч.
На продолжительность обработки влияют БПК5, доза ила, степень вытеснения фосфатов (последующее накопление фосфора
в иле Jр), температура воды, отсутствие нитратов и растворенного
кислорода.
Значение БПК5, отражающее наличие легкоокисляемых веществ загрязнений, соотносят с содержанием фосфора фосфатов Pm
в сточных водах. Считается минимально допустимым соотношение
L5:Pm не ниже 25:1, нормальным 30:1, удовлетворительным 35:1
и до 40:1. Так как часть БПК5 расходуется на денитрификацию возвратного активного ила, то желательное соотношение часто не выдерживается. Дополнительное количество БПК5 может быть получено из осадка первичных отстойников за счет кислого брожения
его непосредственно в отстойниках либо в отдельно обустроенных
реакторах (ацидофикаторах – от слова – acid – кислота).

условиями, указанными выше. Формулы для расчета анаэробного отсека действительны для диапазона изменения Jр от 0,02 до 0,03 г/г.
Ориентируясь на схемы с предварительной денитрификацией
возвратного активного ила, в которых отсутствует влияние кислорода и нитратов на анаэробную зону, представим влияние БПК5
и дозы ила в виде нагрузки Нi5 и составим функцию продолжительности обработки tана для разбавленных сточных вод.
Упрощенное частное выражение tана (ч):
t ана =

H i5

0,587
,
1,072 Т –15

0,31

(6.5)

где Нi5 в кг·БПК5/(кг·сут).
Формула (6.5) составлена при конечном содержании фосфора
в иле JP = 2,5–3 % (0,025–0,03).
Если необходимо повышение содержания фосфора в иле до
3,5–4 %, следует использовать формулу

t ана =

60 J P – 0,01 0,65
.
0,5
0,3
1,072Т –15
L Pуд
Hi

(6.6)

р
Значение L уд
= L5en Рm является отношением БПК5 поступающей осветленной воды к Рm – концентрации ортофосфатов (минерального фосфора) в сточных водах, поступающих на очистку (или
в осветленных водах, так как концентрация растворенных ортофосфатов при осветлении воды не меняется). Нагрузка на ил
Н i = (Q сут L5en ) W a i принимается по расчетам на стадии прикид-

Рис. 6.1. Вытеснение в анаэробных и потребление фосфора в аэробных условиях (в расчете на 1 г беззольного вещества ила) в смеси сточных вод и активного ила очистной станции Goor (Голландия)

Доза ила в биоблоке выбирается в увязке с нагрузкой на ил Нi5,
причем снижение дозы ила и повышение нагрузки благоприятно
отражается на удалении фосфора, на зато ингибируется процесс
нитрификации. Избыточное накопление полифосфатов в теле клеток ила в анаэробных условиях напрямую связано с оптимальными
96

ки и затем уточняется.
Если продолжительность обработки получается излишне
большой (более 3–4 ч), что неблагоприятно отразится на состоянии
нитрифицирующих бактерий, то применяют реагентное удаление
фосфора.
6.2. Реагентное удаление фосфора
Для осаждения фосфора реагентным методом используют коагулянты на основе железа и алюминия, а также известь. Коагулянты
97

на основе алюминия – AlCl3, Al2(SO4)3, оксихлориды – образуют
насыщенные водой осадки, обладающие слабыми водоотдающими
свойствами, их применяют реже, поскольку вынос остаточного
алюминия создает дополнительные осложнения. Железосодержащие коагулянты образуют осадки с достаточно хорошей влагоотдачей, утяжеляют хлопья активного ила, снижая тем самым иловый
индекс, не создают дополнительных проблем по остаточному железу в очищенной воде. Известкование воды, известное как метод
Phostrip, применяют на очистных сооружениях небольшой производительности, учитывая большой расход реагента (рН 9–10)
и особенности обезвоживания осадка, содержащего частицы извести. Далее будет рассматриваться метод удаления фосфора железосодержащими и алюминийсодержащими реагентами.
Двухвалентное железо в виде FeSO4 привносит в воду наименьшее количество анионов SO 4– 2 , но связано с предварительным
окислением железа до трехвалентного состояния путем аэрации.
Соединения трехвалентного железа FeCl3 и Fe2(SO4)3 используется
в традиционных схемах коагуляции воды. Катионы железа Fe3+
и Al3+ вступают во взаимодействие с анионамии РО -43 , НСО3– , ОН – ,
образуя малорастворимые соединения FeРO4, AlPO4. Предпочтительность образования соединений обусловлена концентрацией
этих анионов и рядом других факторов, в том числе щелочностью
воды. Реагенты вводят на разных стадиях очистки сточных вод: перед первичными отстойниками, в анаэробные отсеки биореакторов,
перед вторичными отстойниками и на стадии доочистки воды.
Добавка реагентов перед первичными отстойниками (ввод ВР
№ 1 на рис. 6.2) применяется в случае поступления высококонцентрированных сточных вод (БПК5 более 250–275 мг/л) с высоким
содержанием фосфора, дополнительно включаются другие процессы физико-химической очистки: дестабилизация тонкодисперсных
частиц взвешенных веществ (нейтрализация отрицательного заряда
за счет катионов Fe+3 и Al+3), образование малорастворимых соединений с анионами РО 4– 3 , НСО3– , ОН – , СО3– 2 .
На поверхности взвешенных веществ образуются агрегаты
и мостики (между частицами взвеси), происходит укрупнение и далее коллективное осаждение частиц. Необходимое количество реагентов составляет 6–9 г/м3 по Fe+3 или Al+3 . Эффект очистки по
взвешенным веществам и общему фосфору 70–80 %, однако при
98

этом наблюдается снижение БПК5 на 55–60 %, что неблагоприятно
отражается на дефосфатировании и денитрификации, поэтому
предварительную коагуляцию сточных вод применяют в исключительных случаях.
N

Рис. 6.2. Места ввода реагентов в биоблоке по схеме АА/О:
ВР № (1–4) – ввод реагентов; АНА – анаэробная зона; ПО – первичные отстойники; СВ – сточные воды; АНО – аноксидная зона; ОКС – оксидная зона;
ОВ – очищенная вода; ВО – вторичный отстойник; Ri – циркулирующий активный ил; ИАИ – избыточный активный ил; RN – циркуляция нитратсодержащей иловой смеси; В – сжатый воздух

Другой способ удаления фосфатов основан на добавке реагентов в иловую смесь перед вторичными отстойниками (ввод № 2 на
рис. 6.2). Доза реагентов при этом снижается на 4–5 г/м3 по Fe+3
и Al+3 , содержание фосфатов падает до 0,2–0,3 мг/л, но появляются
другие негативные явления. При низком содержании аниона PO 4– 3
появляются конкуренты в виде OH – , CO3– 2 , HCO 3– и иных анионов.
Приходится увеличивать дозу алюминия и железа для связывания конкурирующих анионов. На графике (рис. 6.3) показано
увеличение дозы Fe+3 и Al+ по сравнению со стехиометрическим соотношением (в AlPO4 соотношение металл/фосфор 27/31, в FeРO4 –
56/31), эти значения приняты за единицу.
Добавка реагентов полезна для развития нитрифицирующих
микробов.
Для достижения низких остаточных значений содержания
фосфора необходимо увеличивать дозу металлов в 2–4 раза.
Немедленно за этим следует другая неприятность: вынос избытка
алюминия и железа с очищенной водой. ПДК по алюминию
99

0,04 мг/л, по железу 0,1 мг/л, а вынос катионов металлов составляет
0,15–0,3 мг/л. По этим мотивам использование ввода реагентов перед вторичными отстойниками должно сопровождаться аккуратным их дозированием по обобщенным результатам очистки воды.
Добавка реагентов в узле биологической очистки должна быть увязана с содержанием фосфора, так как увеличение количества фосфатов позволяет снизить (более рационально использовать) дозу
реагента. В анаэробной зоне вследствие вытеснения фосфатов из
клеток бактерий содержание фосфатов в иловой смеси достигает
8–12 мг/л, и в этот момент рационально связать их в AlPO4 и FeРO4.
Следовательно, необходимо добавлять реагенты либо в возвратный
активный ил из вторичных отстойников (ввод ВР № 3 на рис. 6.2),
либо непосредственно в анаэробную зону (ввод ВР № 4 на рис. 6.2).
Доза реагентов 1,5–2,5 г/м3 по Fe+3 зависит от щелочности воды
и содержания фосфора. Учитывая достаточно большой объем анаэробной зоны и наличие мешалок, реагенты подают постоянной дозой, так как приспособиться к колебаниям расхода сточных вод
и циркулирующего ила весьма затруднительно.

Рис. 6.3. Влияние соединений фосфора в сточных водах
на дозу металла Fe+ или Al+3

100

Добавка реагентов полезна для развития бактерийнитрификаторов, так как появляется минеральная суспензия для
прикрепления микроорганизмов и существования в среде без антагонистического противодействия других микробов.
Дополнительное количество осадков возможно принять по
МеРО4, Ме(ОН)3 или по Ме(НСО3)3. Наиболее вероятным следует
считать образование Ме(ОН)3, и тогда добавочное количество
осадка составит 2,9 г/г при использовании Al+3 и 1,9 г/г для Fe+3.
Повышение количества обводненного осадка при работе с алюминием (по сравнению с более тяжелым железом) следует принять во
внимание при выборе типа реагента.
6.3. Формирование схем очистки сточных вод
Удаление азота физико-химическими способами – сорбцией,
отдувкой, химической обработкой – оказалось сложным и дорогим
процессом. В практике укрепилось биологическое окисление –
биологическое восстановление азотных соединений нитрификацией
и денитрификацией. Естественным методом казалось предварительное окисление азота, затем аноксидная денитрификация с добавкой внешнего субстрата в виде промышленных отходов. Такой
процесс, известный под названием «последовательная нитриденитрификация» применяется для очистки промстоков. Уязвимым
местом этой технологии является высокая стоимость органического
субстрата, такого как отходы свеклосахарного производства (патока), органические кислоты (уксусная, щавелевая и т. п.). Менее эффективными, но намного более дешевыми, оказались загрязнения
в бытовых сточных водах. Использование осветленных либо неосветленных сточных вод в качестве источника органических веществ для денитрификации оказалось полезной находкой. Появилась схема очистки с возвратом образованных в нитрификаторе
нитратов в денитрификатор, установленный перед нитрификатором. Такая схема, предшествующая денитрификация, показана
на рис. 6.4.
Из концевой части нитрификатора нитратсодержащая иловая
смесь низконапорным насосом перекачивается в денитрификатор,
в котором в отсутствие растворенного кислорода осуществляется
денитрификация бактериями-гетеротрофами активного ила (химическое дыхание бактерий). Схема была дополнена анаэробной зо101

ной для вытеснения фосфора, и в целом появилась система анаэробно-аноксидной/оксидной очистки АА/О с биологическим удалением азота и фосфора: азота в виде газа N2, фосфора в составе избыточного активного ила. Снижение концентрации аммонийного
азота достигало 1 мг/л, общего азота до 10 мг/л, общего фосфора
2–2,5 мг/л, фосфора фосфатов 1,5–1,8 мг/л.
RN

а)

Ri
б)

RN

Ri

Рис. 6.4. Технологические схемы узла предшествующей денитрификации (а)
и биоблока по схеме АА/О (б):
АНА – анаэробная зона; АНО – аноксидная зона; ОКС – оксидная зона;
ОСВ – осветленные сточные воды; ОВ – очищенная вода; ВО – вторичный
отстойник; Ri – циркулирующий активный ил; ИАИ – избыточный активный
ил; RN – циркуляция нитратсодержащей иловой смеси; В – сжатый воздух

Недостаток схемы заключался в наличии большого количества
нитратов в циркулирующем активном иле (рециркуляция Ri), вследствие чего ослаблялись анаэробные условия и вытеснение фосфатов
из ила. Были предложены различные способы удаления нитратов из
циркулирующего ила, часть которых показана на рис. 6.5.

102

Рис. 6.5. Технологические схемы блоков биологического удаления соединений азота и фосфора из сточных вод:
а – АА/О; б – Phoredox modification; в – UСT; г – JHB; д – JHB modification;
е – с дробной подачей сточных вод и ила

В схемах Phoredox mod (б) и Jhannesburg mod (д) и (е) циркулирующий ил денитрифицируется в отдельном отсеке (предденитрификаторе) при подаче части сточных вод. В схеме (в) использует103

ся двойная перекачка ила: сначала в общий денитрификатор, а затем из него ил направляется в анаэробный отсек. Приведенные
схемы не исчерпывают вариации схем, число которых достигает
нескольких десятков. В данном случае из рассмотрения исключены
схемы типа «карусель» (горизонтальные циркуляционные контуры
движения иловой смеси) ввиду появления длительных переходных
процессов от аноксидных к аэробным условиям и большим затратам энергии.
Предварительная денитрификация ила способствует более
глубокому удалению общего фосфора (до 1 мг/л) и денитрификации (общий азот 8–10 мг/л). Более глубокое удаление азота и фосфора (до 7–8 и 0,5 мг/л) достигается при добавке реагентов в рассмотренных схемах очистки стоков.
6.4. Баланс азота и фосфора в ходе очистки

104

Рис. 6.6. Преобразование форм азота в ходе очистки

Рис. 6.7. Преобразование
форм азота в сточных водах
на биологических очистных
сооружениях:
1 – после механической
очистки; 2 – простая биологическая очистка;
3 – очистка с нитрификацией; 4 – очистка с денитрификацией

CN, мг/л

В осветленных сточных водах азот содержится в таких формах: аммонийный азот, образующийся в результате распада мочевины; нитриты и нитраты в небольшом количестве, которые обычно не учитываются в поступающей жидкости. В составе общего
азота 65–75 % аммонийного азота, остальное – органический азот.
Происхождение и преобразование форм азота в процессе очистки
представлено на рис. 6.6. В ходе очистки соотношение форм азота
меняется. На рис. 6.7 условно изображено изменение форм азота на
различных ступенях очистки.
По мере развития нитрификации аммонийный азот окисляется, количество его уменьшается до 0,5–1,0 мг/л. Содержание нитратов растет, и при отсутствии денитрификации весь аммонийный
азот был бы переведен в форму нитратов. Денитрификация уменьшает количество нитратов, переводя их в форму газообразного молекулярного азота N2. Часть азота потребляется бактериями при
приросте активного ила (8–12 % от веса беззольной части прироста
ила или 6–8 % с учетом золы), а небольшая часть остается в очищенной воде в составе растворенных органических веществ.

Таким образом, поступающий общий азот состоит из таких
частей
en
en
(6.7)
С en
N t = С N 4 + С N орг .
В ходе очистки
ex
ex
ex
(6.8)
С ex
N t = С NH 4 + С NО 3 + С N орг .
105

Баланс азота

ex
С en
N t = С N t + С N Pi ,

(6.9)

где С N P = J N P i – азот в приросте активного ила (6–8 % от Рi). Коi
личество азота для денитрификации
ex
en
(6.10)
С N д = С en
N t – С N P – CN t .
i

Азот нитрифицированный

или

ex
ex
С NН = С en
Nt – С N Pi – С NH H4 – С Nорг ,

(6.11)

ex
(6.12)
С NН = С Nд + СNO 3 .
Фосфор выводится из системы в составе избыточного активного ила Рi. В обычных системах очистки сточных вод содержание фосфора JР =1,5–1,8 %, в технологиях с анаэробной обработкой 2,5–3 %,
при добавке реагентов 4–5 % (в расчете на массу ила с золой).
Вынос общего фосфора с очищенной водой рассчитывается по
формуле
(6.13)
С ex
С en
Рt
Р t – J Р Рi .
Минимальная доза реагентов, обеспечивающая повышение JР
до 4–4,5 %, составляет 15–20 г/м3 по Al2(SO4)3 или Fe2(SO4)3. Подаются в циркулирующий активный ил.

6.5. Определение объема биоблока
Отметим, что для расчета концентрации биогенов в очищенной воде необходимо определить дозу ила ai, нагрузку на ил по
БПК5 Hi5 прирост ила. При назначении дозы ила руководствуются
допустимой нагрузкой на ил, исходя из условия сохранения культуры нитрифицирующих бактерий и глубины окисления аммонийного азота.
Допустимая суточная нагрузка на ил Hi5 кг/(кг·сут)

Н i 5 = 0,305

С ex
NH 4
С en
Nt

0,45

1,072Т –15 ,

106

(6.14)

en
где С ex
NH 4 – общий азот в очищенной воде; С Nt – общий азот на
входе в биоблок.
Суточная нагрузка на ил Hi при температуре Т
Qсут Len
5
Hi
,
(6.15)
W ai

где W – объем биоблока, м3; аi – доза ила, кг/м3 .
По допустимой нагрузке можно определить прирост ила Рi,
3
г/м
1,1 0,8 С взв + 0,45 L5en
0,15
=
.
(6.16)
Рi
Hi
Т –15
1,018
Назначая тот или иной параметр, принимают во внимание их
взаимосвязь
H1 ⋅ θ ⋅ Peni = 1,
L5
где θ – возраст ила, сут.
В развернутом виде
Q сут L5en W a i Pi
= 1.
W ai Q сут Pi L5en
Очевидно, что произвольное назначение параметров недопустимо, поэтому принимают какой-либо параметр в качестве основного. Иногда таким параметром выбирают возраст ила θ, но поскольку этот параметр связан с откачкой ила из биоблока, что осуществляется нерегулярно, более рационально назначить основным
параметром нагрузку на ил.
Q сут L5en
.
Тогда W аi =
Hi
Меняя W и ai, получим желательный вариант расчета. Чаще
изменяют ai в пределах: минимально 2–2,5 кг/м3, допустимо 2,5–3,5,
в среднем 3 кг/м3. Увеличиние дозы ила до 3,5–4 кг/м3 связано с необходимостью учета работы вторичных отстойников.
Объемы отдельных отсеков определяются по продолжительности пребывания сточных вод при среднем расходе стоков; для
107

максимальных расходов проводится проверка по допустимым показателям качества очищенной воды.
Анаэробная зона
Wана = Qср tана , м3 ;

tана

(6.17)

0,01)0,65

60( J р

( LPуд )0,5 H i0,31,072T

15

ч.

(6.18)

Аноксидная зона (денитрификатор)
C Nд 3
,м,
t ано =
rд
0,6

N
C ex
r д = 0,83 Lуд
NO3 R N
Зона нитрификации

0, 3

АНО
CNO

tн

rн =
муле

0,7
r
0,93 С eNH
4

C ex
NH 4

0,12

1,072Т –15 , г/(м3⋅ч).

(6.19)

C Nн
, ч,
rн
0,45

C en
NH 4

1,072 Т – 15 , г/(м3⋅ч).

(6.20)

Общая кратность рециркуляции ила рассчитывается по фор-

Rсум = Ri + RN;
CNд
(6.21)
R сум = ex .
C NO 3
Кратность рециркуляции ила из вторичных отстойников
Ri = 0,5–1,0, остальная часть нитратов доставляется в денитрификаторы за счет RN.

108

Лекция 7. ИММОБИЛИЗОВАННАЯ БИОМАССА
Иммобилизованная масса микроорганизмов, прикрепляющаяся к поверхности носителей в аэротенке, развивается в сообществе
с плавающим активным илом. Например, в аэротенках пищевой
промышленности на плоских пластинах миграция активного ила
такова: в часы малой нагрузки ил интенсивно прикрепляется к носителю, образуя слой в 5–10 мм, а в часы высокой нагрузки быстро
переходит в плавающее состояние. При этом уменьшается слой
прикрепленной биомассы и возрастает доза плавающего ила.
На поверхности вертикальной плоской загрузки наблюдается медленное движение массы сверху вниз под действием сил тяжести,
и задача эксплуатационного персонала состоит в том, чтобы предотвратить загнивание массы в нижней части загрузки.
Способы управления миграцией ила ограничены: путем изменения нагрузки и дозы ила, интенсивности аэрации. При неудачных
действиях персонала прикрепленная биомасса загнивает, в ней наблюдаются неуправляемые негативные явления. Известно одно из
таких явлений – развитие в биомассе в огромных количествах нематод, опасных для рыб, животных и растений. По этим причинам
выбор типа носителя, обладающего свойствами авторегуляции,
имеет первостепенное значение. Одно из перспективных направлений заключается в применении плавающей загрузки, на поверхности которой развивается ограниченное количество биомассы, отторгаемой за счет трения отдельных частиц и срыва излишней биопленки в процессе движения с потоком иловой смеси. Увеличение
общей массы микроорганизмов в объеме аэротенка приводит к увеличению возраста ила, уменьшению содержания азота и фосфора
в клеточном веществе «старых» илов. Положительным качеством
иммобилизованной биомассы является денитрификация в теле биопленки, так как лишенные доступа к растворенному кислороду
микробы переходят к использованию химически связанного кислорода нитритов и нитратов. Однако интенсивность этого процесса
низка в связи с недостатком легкоокисляемого субстрата, получаемого за счет внеклеточных накоплений и гибели части бактерий
в тяжелых для них аноксидных условиях. Пребывание в составе
биопленки бактерий-нитрификаторов негативным образом отражается на их активности. Удаление фосфора прикрепленной биомассой напрямую зависит от отторжения биопленки и выноса ее в со109

ставе избыточного ила. Если свойства носителя не позволяют
управлять этим процессом, не следует ожидать позитивных результатов. Известно, что пребывание активного ила в анаэробных условиях вызывает вытеснение из клеток фосфатов, излишне долгое
пребывание ила в таких условиях приведет к снижению количества
выводимого из системы фосфора.
При добавке реагентов нерастворенные вещества Al(OH)3
и Fe(OH)3, AlPO4 и FePO4, накапливающиеся в активном иле, служат своеобразным носителем для прикрепления бактерийавтотрофов. Слой биопленки на поверхности носителя составляет
несколько микрон, вся масса хорошо перемешивается при аэрации.
Принимая во внимание положительные и отрицательные стороны функционирования прикрепленной биомассы, трудно сформировать четкие рекомендации по расчету реакторов со смешанной
культурой микроорганизмов.

Лекция 8. АЭРАТОРЫ И МЕШАЛКИ
В блоке биологической очистки имеются оксидные отсеки
аэробной зоны с аэрацией иловой смеси, а также с перемешиванием
жидкости мешалками в анаэробных и аноксидных зонах. Кроме того, иногда между бескислородными и аэробными отсеками встраиваются маневренные отсеки с аэраторами и мешалками, которые
могут быть продолжением аноксидной зоны либо началом оксидной, в зависимости от конкретной обстановки. Нежелательно сообщение (обратные течения) между отсеками, так как появление
нитратов в анаэробной зоне или растворенного кислорода в аноксидной зоне моментально замедляют основные процессы анаэробиоза и аноксии. Для оборудования указанных зон чаще всего применяют пневматические аэраторы и мешалки, см. рис. 8.1.

3
2
1

Рис. 8.1. Виды оборудования для аэрации и перемешивания иловой смеси:
1 – мембранные дисковые аэраторы; 2 – трубчатые или пластинчатые аэраторы; 3 – мешалки

8.1. Пневматические аэраторы
Механические и пневмомеханические аэраторы из-за частых
поломок перестали быть основным видом аэрационного оборудо110

111

вания, на первый план вышли пневматические аэраторы как наиболее надежные в эксплуатации.
Различают среднепузырчатые аэраторы (диаметр пузырьков
4–6 мм), мелкопузырчатые (диаметр 1–4 мм) и микропузырчатые
(диаметр пузырьков воздуха до 1 мм). Аэраторы испытывают на
чистой обескислороженной воде, определяя окислительную способность ОС (г О2 из 1 м3 подаваемого воздуха в час), в зарубежной
практике ее обозначают как SOTR (standard oxygen transfer rate).
Кроме того, оценивают эффективность аэрации SOTE в виде процента использования кислорода воздуха на 1 м глубины погружения аэратора либо на всю глубину в целом. Эти параметры указывают в паспортных данных.
Массопередача кислорода в воду. Скорость растворения
(сорбции) кислорода в воде описывается уравнением
dC
(8.1)
= K a (C TP – C O) ,
dt
где Kа – объемный коэффициент массопередачи кислорода
в жидкость, 1/ч; СТР – предельная растворимость кислорода в воде
при температуре Т и давлении Р, мг/л; СО – концентрация
растворенного кислорода в момент времени t, мг/л.
Объемный коэффициент массопередачи кислорода Kа является
произведением коэффициента массопередачи K и удельной
поверхности пузырьков воздуха а. В СНиП [9] величина СТР
обозначена как Са и в дальнейшем будет использоваться в таком
написании.
Наличие в жидкости растворенных и нерастворенных
примесей, а также ее температура оказывают влияние на величину
объемного коэффициента массопередачи Kа газа в жидкость, т. е. на
скорость его растворения.
Влияние температуры жидкости на величину Kа выражается
зависимостью
(Kа) = [(Kа)20]KТ = (Kа)20[1 + 0,02 (Т – 20)],
(8.2)
где (Kа)20 – объемный коэффициент массопередачи при Т = 20 °С.
Влияние состава сточных вод на величину Kа учитывается
коэффициентом качества воды Kз:
(K )
(8.3)
Kз = а з ,
( K а) ч
112

где (Kа)з и (Kа)ч – объемные коэффициенты массопередачи
соответственно для загрязненной и чистой воды при одинаковой
температуре.
Таким образом, уравнение (8.1) можно представить в виде
dC
= K з K Т ( K а) 20 (C а – C O) .
(8.4)
dt
Значения коэффициентов, учитывающих влияние состава
сточных вод на скорость переноса кислорода в жидкость,
определяются экспериментально. Кроме растворенных примесей,
на Kз влияет содержание взвешенных веществ активного ила.
Эта зависимость имеет вид
K з 1 – K В С B0,67 ,
(8.5)
где СВ – суммарная концентрация взвешенных веществ и активного
ила в аэрируемой смеси; KВ – коэффициент, зависящий от природы
взвесей.
В целом для городских сточных вод рекомендуется принимать
Kз равным 0,7–0,75.
Влияние температуры на массоперенос кислорода отражено
в двух факторах: коэффициенте KТ и концентрации СТ. Величина KТ
учитывает увеличение скорости диффузии с ростом температуры
(формула 8.2), а СТ – снижение растворимости кислорода при увеличении температуры.
Растворимость кислорода в воде приведена ниже (табл. 8.1).
Таблица 8.1
ТW, ºС
СT, мг/л

10
11,25

13
10,50

15
10,06

18
9,45

20
9,09

25
8,26

Определение скорости массопередачи. Скорость массопереноса кислорода определяется путем аэрации чистой воды в резервуарах, максимально приближенных к реальным сооружениями
(объем резервуара, интенсивность аэрации, расположение отдельных аэраторов в емкости резервуара). Обескислороживание воды
проводят добавкой реагента сульфита Na2SO3 (либо бисульфита
NaHSO3) натрия, отдувкой кислорода при помощи барботажа воды
газообразным азотом. Опыт осуществляют при небольшом повы113

шении концентрации растворенного кислорода в диапазоне от 1–2
до 4–5 мг/л. Полученные результаты пересчитывают по экспериментально определенной величине (Kа)20 при отсутствии растворенного кислорода, т. е. при СО = 0. Полученную величину принято
называть окислительной способностью (ОС) в расчете на 1 м3 воздуха (г О2/м3·ч).
dC
(8.6)
= ОС = ( K а ) 20 C а .
dt
В зарубежной литературе ОС называют SOTR – стандартная
скорость аэрации.
В отечественной практике принято выделять влияние отдельных факторов на величину ОС. В первую очередь выделяется влияние крупности образующихся пузырьков воздуха dn и соотношение
размера зоны ƒaz, охватываемой аэрацией, и общей площади дна
аэротенка fat. В общем виде зависимость определяется так:

OC = f

1

f az

0,18

.
(8.7)
f at
d 0,67
n
В отдельное выражение включено влияние глубины расположения аэраторов ha:
(8.8)
OC = f h 2/3
a .
Обозначив упомянутые факторы как коэффициенты K1 и K2,
получим выражение ОС в виде
ОС = K1⋅ K2 ⋅Са .

(8.9)

При переходе от опыта в чистой воде к условиям работы
аэраторов в иловой смеси аэротенков вводятся коэффициенты K3
и KТ и учитывается наличие растворенного кислорода
ОС = K1·K2·K3·KТ (Са – СО).

(8.10)

Таким образом оценивается массоперенос кислорода из 1 м3
воздуха в производственных условиях; суммарная подача
растворенного кислорода QК (г/м3) на 1 м3 сточных вод
определяется так:
QК = OC qair,
(8.11)
где qair – удельное количество воздуха на 1 м3 сточных вод, м3/м3.
114

Расчетные параметры по СНиП. Расчетные данные по
такому варианту определения окислительной способности
приведены в СНиП [9] п. 6.157: табл. 42 для K1, табл. 43 для K2. Там
же даны рекомендации по учету влияния СПАВ на величину зоны
аэрации (табл. 44). Наличие СПАВ учитывается при содержании их
7,5–10 мг/л, что случается редко. В условиях нормальной
эксплуатации очистных сооружений концентрация СПАВ ниже
5 мг/л и поправка не вводится. В табл. 42 и 43 приведены
ограничения по интенсивности аэрации Jа в расчете на 1 м2
площади аэротенка в час:
Qair 3 2
, м /(м ·ч),
(8.12)
Ja =
F at
где Qair – расход воздуха, м3 /ч; Fat – площадь дна аэротенка, м2.
Ограничения касаются минимальной Ja min и максимальной
Ja max интенсивности аэрации. Значение Ja min относится к условиям
предотвращения осаждения и размыва осевшего на дно аэротенка
активного ила за счет создания скорости движения воды у дна
в диапазоне 0,1–0,15 м/с. Максимальная интенсивность ограничивается пропускной способностью аэрационных систем, обычно
она указывается в паспортных данных на аэраторы.
Способ расчета аэраторов по СНиП разработан по
усредненным данным по типам аэрационных систем, объединенных понятиями мелкопузырчатой (dп = 1–4 мм) и среднепузырчатой (dп = 5–10 мм) аэрации.
Параметры работы аэраторов по паспортным данным.
Новые аэрационные системы имеют технический паспорт,
в котором указываются параметры работы и ограничения.
В паспорте обычно приводятся окислительная способность (SOTR)
или процент использования кислорода SOTE (standard oxygen transfer efficiency) при диспергировании его на глубине ha в табличном
либо графическом виде. Процент использования кислорода
вычисляется как отношение количества растворившегося
кислорода к его начальному содержанию в воздухе. Количество
растворившегося воздуха равно SOTR·Wat, а количество поданного
Qair·SО, где Qair – расход воздуха, м3/ч; SО – удельное содержание
кислорода воздуха, примерно 250–260 г/м3. Следовательно
SOTR W at
.
(8.13)
SOTE =
Q air S О
115

Иногда процент использования указывают на 1 м слоя воды
в аэротенке. В этом случае
(8.14)
SOTE = SOTEh hx,
где SOTEh – процент использования кислорода на 1 м слоя воды,
а х = 0,7–1,0.
При использовании паспортных данных фирм-изготовителей
аэраторов следует иметь в виду, что они получены в небольших по
объему резервуарах на чистой воде и на новых аэраторах, неиспользованных ранее. Переход к производственным условиям –
с учетом коэффициента качества воды Kз, ухудшения свойств аэраторов в ходе их эксплуатации, соотношения размеров резервуаров –
осуществляется с помощью коэффициента αF. Таким образом, для
эксплуатационных условий
SOTEэ = αF SOTE.

(8.15)

8.2. Потребление кислорода и расчет аэраторов
Расходование органических веществ. Запас органических
веществ выражают в весовых единицах – веса органической части
сухого остатка, либо в виде термодинамических показателей типа
ХПК или БПК5, которые могут быть выражены в количестве
израсходованного кислорода, либо запасенной энергии (джоули
или калории), эквивалентной расходу кислорода. Распределение
органических веществ в ходе биологической очистки между
окисленной и ассимилированной частями протекает весьма
изменчиво, поэтому применяют упрощенные модели с различной
степенью точности. Анализируя состав сточных вод, можем
отметить следующее. Из общего количества ХПК на одного
эквивалентного жителя – примерно 120 г/(чел.·сут) – 12–15 %
остается в очищенной воде; биодеградабельная часть, выраженная
в виде БПКП, составляет 75–80 г/(чел.·сут), и эта часть активно
участвует в процессах окисления загрязнений и в приросте
избыточного ила.
По опыту работы очистных станций и предлагаемым
специалистами моделям процесса биологической очистки
возможно установить, что примерно 50 % органических веществ по
ХПК расходуется на прирост ила и такая же часть – на
энергетические нужды. Исходя из этого положения, определим
116

окисляемую часть загрязнений в виде 0,5 (ХПКen – ХПКех).
Заметим, что БПК5 составляет 50 % от ХПК, поэтому пользуясь
численным совпадением, можем окисляемую часть обозначить как
( L5en – L 5ex ) .
Суммарное потребление кислорода. В процессе нитрификации на окисление аммонийного азота до нитратов расходуется 4,57
г/г кислорода, или 4,57 C N Н , где C N H – количество нитрифицированного азота [25]. При денитрификации возвращается 2,86 г/г химически связанного кислорода, или 2,86 C Nд , где C Nд – количество

денитрифицируемого азота [95].
Суммарное потребление кислорода (г/м3) ПК, включая все виды его расходования
(8.16)
П К = (L 5en – L 5ex ) + 4,57 – C NH – 2,86 C Nд .
Расчет потребного количества кислорода и воздуха. Составим баланс потребления и растворения кислорода на 1 м3 сточных
вод
QК = ПК,
или

KТ K з K a

20

C a – C O q air = L5en – L5ex + 4,57 C N н – 2,86 C N д .(8.17)

Удельный расход воздуха в м3 на 1 м3 сточных вод
следующий:

q air =

L5en – L5ex + 4,57 C N н – 2,86 C N д
.
K a 20 K з K T C a – C О

(8.18)

В принятой СНиП [9] интерпретации

q air =

L5en – L5ex + 4,57 C N н – 2,86 C N д
.
K1 K 2 K з K T C a – C О

(8.19)

Если использовать материалы фирм-изготовителей аэраторов,
следует учитывать коэффициент αF, концентрацию кислорода СО
в аэротенке и температуру воды:
117

QКэ = OCqair

Ca – CО
C – CО
FKT или QКэ = SOTRqair a
FKT . (8.20)
Ca
Ca

Если в паспортных материалах приведена величина SOTEh,
то расход воздуха вычисляют так
C – CО
QКэ = (SOTEh hax ) S Оqair a
FKT .
(8.21)
Ca
Следует учитывать, что часть фирм переводит SOTE на
единицу глубины ha по прямой пропорции, т. е. SOTE = (SOTEh)ha ,
а другая часть – SOTE SOTE h ha0,7 .
Расход и концентрация сточных вод по часам в течение суток
меняются. Приводимое в расчетах значение СО является
усредненной величиной как во времени суток, так и по длине
аэротенка (наименьшее значение в начале и наибольшее на
заключительном отрезке аэротенка). Переменная по длине
аэротенка концентрация растворенного кислорода может быть
усреднена по формуле
COср = СОmax 0,65 ,
(8.22)

где СОmax – максимальная концентрация растворенного кислорода
на заключительном отрезке аэротенка.
Изменение концентрации по часам суток зависит от
гидрографа и полютографа на каждой очистной станции. Главными
являются концентрация и расход сточных вод в часы максимального притока, когда из-за недостатка кислорода может
подавляться нитрификация; однако это явление может возникнуть
только при малом времени очистки (4–5 ч), так как в аэротенках
происходит интенсивное перемешивание, и пиковые значения
расхода и концентрации уменьшаются за счет разбавления.
Рекомендуется принимать величину СО равной 2,5–3,0 мг/л
C NexH 4
при относительно неглубокой нитрификации
0,1 – 0,2
C NenH
4

и 3–3,5 мг/л в случае более глубокой очистки

118

CNexH
4
CNenH 4

0,03 – 0,05 .

Расчет расхода воздуха ведут обычно по среднечасовому расходу
сточных вод.
8.3. Типы пневматических аэраторов
Виды аэрационных систем аэраторов возможно классифицировать по их конфигурации (пространственные и линейные), по расположению в аэротенке (пристенные и рассредоточенные по днищу), по количеству рядов (однорядные, двухрядные, многорядные) и в зависимости от типа пористой перегородки (трубы, плоские мембраны).
Потери напора в аэраторах различны и зависят от запыленности воздуха, размеров пор, способа защиты аэраторов от
загрязнений. Различают аэраторы незащищенные, частично защищенные и самоочищающиеся. Незащищенные аэраторы изготавливают из однородных материалов (полиэтилен экструзивного
типа, стеклопластик), с относительно однотипными порами, которые со временем закупориваются, в работе остаются только
крупные поры, выходящие из них пузырьки воздуха становятся
крупнее, и аэратор теряет свойства эффективности и экономичности. Сопротивление таких аэраторов возрастает от величины
0,1–0,2 до 0,6–0,7 м вод. ст.
Аэраторы, частично защищенные, обладают способностью
улавливать частицы пыли в слоях пористого материала с большой
грязеемкостью. Примером аэраторов такого типа являются
аэраторы фирмы «Экополимер». Крупная и мелкая пыль
задерживается в крупнопористых слоях, а очищенный от пыли
воздух диспергируется в верхнем мелкопористом слое. Срок
службы таких аэраторов увеличивается с 3–4 до 6–7 лет.
Самоочищающиеся аэраторы имеют систему очистки от пыли.
Примером таких аэраторов могут быть мембранные купольные
аэраторы с резиновой диафрагмой. В нерабочем состоянии поры
мембраны сомкнуты и недоступны для проникновения активного
ила. В рабочем состоянии, под воздействием напора воздуха,
диафрагма раздувается и поры раскрываются. Для очистки
аэраторов увеличивают расход воздуха и задержанные на кромках
пор частицы выносятся в воду. Такие аэраторы служат 6–7 лет
и очищаются ежегодно; эффективность аэрации снижается
119

незначительно. Замена аэраторов осуществляется из-за старения
и растрескивания диафрагмы.
При переходе от паспортных характеристик аэраторов,
определенных в чистой воде и приведенной к нормальному
давлению воздуха (760 мм рт. ст.) и температуре 20 °С, следует
учитывать изменение условий работы аэраторов, в частности:
• понижающий коэффициент α «качества» сточных вод
(иловой смеси);
• различия в расположении аэраторов в объеме аэротенков
и в резервуаре, использованном для определения технических
характеристик аэраторов;
• снижение эффективности аэраторов в ходе эксплуатации
вследствие засорения и старения материалов F.
Различия в расположении аэраторов в испытательном
резервуаре и в аэротенке заключаются в том, что объем резервуаров
несопоставимо меньше объема и сечения аэротенков. Снижение
эффективности работы аэраторов во времени общеизвестно,
и когда фирма гарантирует работоспособность аэрационной
системы в течение 6–8 лет, следует учитывать, что за этот период
эффективность мелкопузырчатой аэрации снизится почти вдвое.
Обычно срок службы аэраторов принимают 4–5 лет, эффективность
аэрации снижается, средние условия за этот период можно
характеризовать величиной эксплутационного коэффициента αF.
Одновременный учет коэффициентов: αF = 0,58 – 0,66.
Компания «Дегремон» [32, 33] рекомендует принимать
значение αF = 0,6–0,64, и эту рекомендацию следует использовать
в расчетах.

стояков или боковых отводов. Диаметр труб от 150 мм, длина
отдельных отрезков аэрационных труб до 2500 мм. Аэраторы
крепятся на раме с двумя стойками при помощи хомутов.
Трубчатые аэраторы с тонкими трубами подвержены
поломкам (вследствие образования жгутов из волокнистых
материалов вокруг труб) при прохождении иловой смеси через
решетку. На аэраторах из крупных труб обволакивание
наблюдается реже. Расположение аэраторов – боковое пристенное
либо по всей ширине коридоров аэротенков – предопределяется
технологическими условиями, такими как потребная интенсивность
подачи кислорода, эффективность аэрации, гидравлический режим
движения воды в придонном слое. Эффективность аэрации тем
выше, чем больше площадь аэрационной зоны, но при условии
отсутствия вредных компенсационных потоков и взаимного
подавления аэраторов. Гидравлический режим предусматривает
раскручивание потока жидкости и создания придонной скорости
движения воды не менее 0,1–0,15 м/с в зависимости от дозы
активного ила; этим условиям соответствует боковое пристенное
расположение аэраторов.
Мембранные дисковые аэраторы

Линейные системы пневматических аэраторов создают из труб
большого диаметра с развитой поверхностью пористого слоя. Чаще
применяются каркасные аэраторы с двухслойным напылением: на
перфорированный каркас сначала наносится крупнопористый
волокнистый слой, а затем мелкопористый. Другой вариант
подобной системы предусматривает возможность замены диспергирующего элемента, выполняемого в виде съемного наружного
цилиндра. Соединительные части системы выполняют по типу
тройников и угловых поворотных элементов для подсоединения

Различают мембраны жесткие и мягкие: жесткие выполняют
из твердых пористых листовых материалов, а мягкие – из перфорированной резины и других рулонных мягких материалов. Аэрационные блоки состоят из системы распределительных труб с установленными на них отдельными диспергаторами (рис. 8.2, 8.3).
Мембрана (диск) зажимается между чашей и уплотнительным
кольцом с резьбой. Жесткие диски по характеру работы мало отличаются от пористых трубчатых аэраторов. Перфорированные мягкие мембраны при подаче сжатого воздуха раздуваются в виде купола, колотые либо прожигаемые лазером отверстия раскрываются,
над аэратором образуется факел восходящей водовоздушной смеси.
Располагая аэраторы между собой, стремятся создать на поверхности аэротенка сплошной аэрируемый слой, но без подавления одного аэратора другим. Водовоздушный факел расширяется к верху под
углом примерно 10º. Например, если диаметр аэратора 0,175 м, то на
поверхности аэротенка (ha = 4,2 м) образуется аэрируемый круг диаметром 0,9 м (0,175 + 2 ⋅ 4,2 ⋅ tg5º).

120

121

Трубчатые аэраторы

а)

б)

Рис. 8.3. Общий вид маневренной зоны, оборудованной
дисковыми аэраторами и мешалками

Рис. 8.2. Мембранные дисковые аэраторы:
а – общий вид секции аэротенка с аэраторами; б – конструктивные
особенности воздухораспределительной системы

122

Если руководствоваться принципом слияния факелов на поверхности, то отдельные аэраторы следует устанавливать на расстоянии 1 м друг от друга. Расстояние может быть увеличено до
1,2–1,5 м при максимальной подаче воздуха или сокращено до 0,8 м
при минимальной подаче. По другому варианту слияние факелов
может происходить на глубине 2 м, и тогда расстояние между
факелами сократится до 0,6–0,7 м, но в этом случае необходимо
исключить минимальную подачу во избежание прекращения
аэрации, когда гидравлическое сопротивление отдельных аэраторов
окажется слишком низким. Иногда большое количество
123

установленных аэраторов приводит к пульсирующей аэрации:
воздух выходит дискретными струями с небольшими по времени
перерывами из разных аэраторов.
Согласно паспортным данным возможно не устанавливать
водовыбросные стояки для удаления проникшей воды из распределительной системы труб, поскольку смыкание отверстий герметизирует систему; однако нештатное появление щелей и прорывов
не исключены, и наличие водовыбросных стояков позволяет
поддерживать работоспособность аэрационной системы без частых
остановок. Длина одного распределительного трубо-провода
с аэраторами может составлять 10–15 м, поэтому блок аэраторов
с расположенным в центре стояком и подающей трубой может
охватить 20–30 м длины коридора. Плети воздуховодов обычно
собираются из готовых элементов длиной до 3 м с установленными
на них аэраторами.
8.4. Перемешивание иловой смеси в анаэробных
и аноксидных отсеках

менее 0,1 м/с. Если по первому признаку процесс возможно
контролировать по градиенту скорости, то во втором случае
необходимо определять гидравлические условия в наиболее
удаленных точках с низкой скоростью движения воды. Обычно
назначают тип и мощность мешалки по поддержанию минимальной
придонной скорости движения воды 0,1–0,15 м/с на наиболее
ответственных участках сооружения (углы, малоподвижные зоны
и т. п.). Задача поддержания требуемой придонной скорости
сложная и ее решают на основе данных экспериментальных
исследований.
При вращении пропеллера (лопастей) мешалки будет
создаваться поток воды, плавно расширяющийся по мере удаления
от мешалки. Количество перемещаемой жидкости принято
выражать как насосный эффект мешалки, и он будет зависеть от
диаметра, шага лопастей (условное расстояние между лопастями),
числа лопастей, скорости вращения пропеллера, геометрических
параметров резервуара. В общем виде формула насосного эффекта
такова:
α

α

 Z 
Q
B 2H  3

Lн = н3 = CFr α1     θ α 4 
nd
d   d 
 ZО 

α5

В анаэробных и аноксидных зонах блока биологической
очистки должно быть исключено появление растворенного кислорода и обеспечено перемешивание иловой смеси во избежание
осаждения активного ила на дно сооружений. Интенсивность
перемешивания определяется по двум основным признакам:
разрушение хлопьев ила, уменьшение их размеров, интенсификации диффузии (проникновения) реагирующих субстанций,
а также предотвращение выпадения ила и даже размыв слоя ила на
дне сооружения в случае непредвиденных остановок (перерывы
в подаче энергии и т. п.). Разрушение крупных хлопьев ила
происходит при достаточно низких затратах энергии, и протекает
в условиях действия касательных (тангенциальных) напряжений
между струями воды (вихревое движение струй жидкости).
Внешнее проявление условий минимизации затрат энергии на этот
процесс – появление прожилок чистой воды в иловой смеси
и формирование крупных хлопьев ила.
Размыв слоя ила, осевшего на дне сооружения, требует
значительно больших затрат энергии, поскольку ил при длительном
хранении в условиях покоя консолидируется, и для разрушения
слоя необходимо создать поток воды со скоростью движения не

где Lн – насосный эффект; Qн – расход перемещаемой пропеллером
воды; n – число оборотов; d – диаметр пропеллера; С – коэффициент; Fr – критерий Фруда; В, Н – ширина и глубина резервуара; θ – дисковое отношение; Z, Z0 – число лопастей; α1–α5 –
показатели степеней.
Типология выпускаемых мешалок отличается большим
разнообразием. В практике очистки сточных вод применяются
тихоходные и скоростные мешалки горизонтального и вертикального типа.
Тихоходные мешалки диаметром от 0,7 до 2,5 м используются
в сооружениях большого объема либо в удлиненных конструкциях,
когда глубина либо ширина коридора в 3–5 раз меньше его длины.
Скоростные погружные мешалки нашли применение в сооружениях средней производительности. Обычно устанавливают
погружные мешалки на некоторой высоте от дна с тем, чтобы
факел движущейся жидкости соприкасался бы с дном сооружения
по линии минимально допустимой скорости 0,15 м/с. Скоростные

124

125

,

(8.23)

мешалки размещают на высоте 0,7–1,0 м от дна до нижнего края
лопастей; тихоходные мешалки – в зависимости от их диаметра.
Мощность двигателя мешалок выбирают по их характеристикам,
определенным по данным испытаний в резервуарах значительных
размеров. Обычно результаты испытаний выражают в виде
эмпирических зависимостей как произведение основных критериев
и симплексов (отдельных параметров, не связанных с критериями).
Формулы такого типа весьма сложны для расчетов, поэтому часто
пользуются приведенной (к единице объема) величиной мощности
Wуд (Вт (кВт) на 1 м3). Поскольку мощность зависит от вязкости
иловой смеси, содержания СПАВ и концентрации ила, то в усредненном виде удельная мощность может быть определена так [27]:
Wуд = β(αi)0,24,

а)

в)

б)

г)

(8.24)

где αi – концентрация ила в смеси, мг/л; β – обобщенный
коэффициент, учитывающий вязкость воды, равный 0,95–1,05.
Конфигурация отсека для перемешивания иловой смеси, если
она не может быть изменена, например, при реконструкции
действующей очистной станции, влияет на место расположения и
способ установки мешалок. На рис. 8.4 показаны примеры
расположения мешалок в отсеках различной конфигурации.
Наиболее популярный способ расположения мешалок в коридорных аэротенках – способ д, и в этом случае отношение длины
отсека к его ширине составляет обычно 2:1, в крайнем случае 3:1.
Тип мешалок – скоростные, горизонтальные. Если длина резервуара
в 3–5 раз превышает его ширину, то используют способ в
с последовательным расположением мешалок и разгоном струи
иловой смеси. В широком длинном резервуаре применяют способ б.
В длинных и не очень широких резервуарах применяют способ г.
Если перемешивание осуществляют в узких коридорах трехи четырехкоридорных аэротенков, то используют вариант е,
частично оставляют межкоридорные перегородки и скругляют
углы резервуара. Большой популярностью пользуется способ
размещения мешалок на одной либо двух стойках. При помощи
ручных лебедок мешалки поднимают из воды, осматривают,
ремонтируют и вновь устанавливают в прежнее положение.
Погружные мешалки более экономичны, нежели другие способы
перемешивания воды. Например, если применить аэрацию
126

с минимальной интенсивностью, то затрачиваемая мощность будет
намного выше.

д)

е)

Рис. 8.4. Примеры расположения мешалок в отсеках различной конфигурации:
а – в круглом бассейне; б – параллельное расположение в резервуарах большого объема; в – последовательное расположение в резервуарах большого
объема; г – в резервуаре скругленной формы с поворотными простенками;
д – диагональное расположение; е – двухстороннее расположение в резервуарах с разделительной стенкой

127

Лекция 9. ВТОРИЧНЫЕ ОТСТОЙНИКИ
Эффективность работы вторичных отстойников зачастую предопределяет состав очищенной воды по лимитирующим показателям. При отсутствии фильтровальных сооружений доочистки вторичные отстойники становятся последней ступенью очистки городских сточных вод, что повышает их роль и значимость [5]. Большинство стран уделяет пристальное внимание этому фактору
и считает целесообразным увеличивать размеры вторичных отстойников с целью снижения выноса фосфора, кроме того, большие
вторичные отстойники иногда исключают необходимость строительства узла фильтрования биологически очищенной воды. Вероятно, в будущем будут широко использоваться комбинированные
сооружения, включающие обычное тонкослойное отстаивание или
неглубокое фильтрование воды в сочетании с коагуляцией воды.

Расчет вторичных отстойников по формуле (67) СНиП [9]
имеет неприятную особенность: при низкой гидравлической нагрузке величина выноса ила становится отрицательным значением:
0,8
4,5K ss H set
,
(9.1)
q ssa =
(0,1J i ai )0,5 – 0,01at
где qssa – нагрузка на 1 м2 площади отстойника, м3/м2·ч; Kss – коэффициент полезного использования объема проточной части;
Hset – глубина проточной части, м; Ji – иловый индекс, см3/г; ai – доза ила, г/л; at – вынос ила, мг/л.

9.1. Разделение иловой смеси
Способность ила к разделению обычно оценивают с помощью
илового индекса Ji, см3/г. Многочисленными исследованиями показано, что иловый индекс не может служить полноценным показателем процесса осаждения.
Кривая Кинша (рис. 9.1) позволяет выделить основные стадии
процесса гравитационного разделения иловых смесей:
1) флокуляция мелких хлопков активного ила с образованием
крупных хлопьев и видимой границы раздела фаз;
2) зонное осаждение хлопьев активного ила с постоянной скоростью, зависящей от начальной концентрации активного ила
в иловой смеси и величины илового индекса;
3) переходная стадия от зонного осаждения к уплотнению
осевшего ила;
4) стадия уплотнения осевшего ила за счет сжатия хлопьев активного ила под воздействием лежащих выше слоев;
5) стадия осветления надиловой воды, при которой полидисперсные иловые частицы агломерируются под воздействием различных факторов.

128

Рис. 9.1. Кривая кинетики снижения границы раздела фаз (кривая Кинша)

Эта особенность просматривается на рис. 9.2, в котором показаны кривые осаждения ила в отстойнике диаметром 54 м.
При переходе от статических условий в цилиндрах к динамическим в отстойниках в процесс включается влияние движения
жидкости, высоты слоя уплотненного ила и других факторов. Эти
факторы могут быть учтены только в результате оценки работы
вторичных отстойников в эксплуатационных условиях. Очевидно,
что в основу математического описания должны быть положены:
• доза ила, иловый индекс, удельное количество осветленной
воды за 30 минут отстаивания;
• кратность рециркуляции ила;
• высота стояния ила в отстойнике;
• глубина проточной части отстойника, от уровня ила
до уровня воды;
• гидравлическая нагрузка на ребро водослива сборных
лотков;
129

 кинетика осаждения ила в движущемся потоке воды, выраженная в виде реальной продолжительности осветления воды
в проточной части.
30

20
6

at, мг/л

10

4

5

0

–10

–20

–30

Рис. 9.3. Водосборные лотки вторичного радиального
отстойника диаметром 54 м

3

Кроме того, в зарубежной практике используют систему сбора
осветленной воды через затопленные дырчатые трубы, которые при
ветровом нагоне обеспечивают более равномерный сбор воды.
Пример такого отстойника представлен на рис. 9.4.

2
1

Гидравлическая нагрузка, м3/м2 ч

Рис. 9.2. Зависимость выноса активного ила от гидравлической нагрузки при
различных значениях илового индекса:
1–3 – рассчитанного по СНиП 2.04.03–85 при значении илового индекса соответственно 100, 150 и 250 см3/г; 4–6 – рассчитанного по эксплуатационной
модели при значении илового индекса соответственно 100, 150 и 250 см3/г

На работу вторичных радиальных отстойников крупных станций аэрации оказывает влияние равномерность сбора осветленной
воды, которая может нарушаться под воздействием ветра из-за
больших диаметров отстойников. Ветровой нагон воды способен
перегрузить на 30–40 % одну часть сборного лотка, вызвать соответствующее перераспределение иловой смеси и привести к повышенному выносу загрязнений с осветленной водой. Для борьбы
с этим явлением применяют развитые системы сбора воды, например, представленные на рис. 9.3.
130

Рис. 9.4. Водосборная труба вторичного радиального отстойника
131

Для снижения выноса загрязнений из вторичных отстойников
важно тщательное сгребание и постоянное удаление выпавшего
в осадок активного ила. При залеживании ила на днище и достаточно глубоко развитой нитрификации в аэротенках возможна денитрификация, приводящая к насыщению газами и всплыванию
комков ила, выносу его с потоком осветленной воды.
9.2. Эксплуатационная модель работы вторичных отстойников
Во вторичных радиальных отстойниках происходят следующие процессы: при поступлении иловой смеси во вторичный отстойник образуются агрегаты ила, быстро оседающие в придонную
область, в результате чего образуется слой воды и слой ила с выраженной границей раздела. При дальнейшем движении воды к водосборным лоткам происходит ее осветление. В слое воды над илом
остается некоторое количество взвешенных веществ. Граница раздела вода – ил может быть нарушена илососами или скребками.
Кроме этого, вблизи водосборных лотков возникают интенсивные
потоки воды, вызывающие захват и вынос ила.
Процессы осветления сточных вод во вторичных отстойниках
могут быть выражены в виде формулы
Cex = BX1X2X3X4,

(9.2)

где В – коэффициент, отражающий общее влияние таких факторов,
как нагрузка на ил, глубина очистки, температура воды, качественный состав поступающих в аэротенки загрязнений; Х1–Х4 – параметры, описывающие влияние отдельных факторов.
Множитель Х1 учитывает влияние количества отделяющейся
воды и описывается формулой:

(

X 1 = 1 – J i ai 10 – 3

)

α1

,

(9.3)

где α1 – степенной коэффициент, учитывающий влияние множителя X1 (–0,8).
Произведение Jiai является относительным объемом ила за
30 минут отстаивания иловой смеси, а разность 1– Jiai ∙ 10–3 – количеством отделившейся за это время воды.
132

Множитель Х2 зависит от степени рециркуляции ила (Ri, доли
единицы), и выражается формулой
Х2 = 1 + a2(Ri – 0,9)2 ,

(9.4)

где a2 – коэффициент, определяющий степень влияния множителя
Х2 (0,6).
Кратность рециркуляции определяется как отношение расхода
возвратного ила к среднему расходу сточных вод. Эта зависимость
учитывает явления залеживания и частичного загнивания ила при
Ri < 0,3 и взмучивания его в отстойнике при Ri более 1,5.
Множитель Х3 учитывает возможность подсоса и выноса ила
вблизи водосборных лотков:
3
3
q
H и qвод
0,2 H и вод
,
(9.5)
H set qст
H set
где a3 – степенной коэффициент, учитывающий степень влияния
множителя Х3 (0,1); множитель 0,2 включен как отношение общепринятых (типовых и стандартных) параметров к наблюдающимся.
В формулу (9.5) включены высота слоя ила на дне отстойника
Ни, м, глубина проточной части Нset, м, нагрузка на ребро водосливных лотков qвод (Q/L, м3/ч на 1 пог. м).
Множитель Х4 описывает кинетику осаждения взвеси в отстойнике:

X3

X 4 = 10

2

m
– A2 t ср

= 10

–

t ср

0,7

55 103

,

(9.6)

где tср – средняя продолжительность пребывания сточных вод в зоне осветления, с; m2 – показатель степени, отражающий интенсивность осветления воды во времени (по результатам работы принят
равным 0,7); А2 – коэффициент, являющийся одним из элементов
кинетики осветления иловой смеси; на основании ранее проведенных исследований А2 = 0,47 ⋅ 10–3.
В целом

Cex

B

1
1 – J i ai 10– 3

1
0, 7 – 3
0,47tср
10

10

0,8

1 0,6 Ri – 0,9

2

q
0,2Hи вод
H set

0,1

(9.7)

.
133

Значение коэффициента В от 10 до 15, меньшее для крупных
отстойников (D > 30 м).
Вынос взвешенных веществ Сех (мг/л) влияет на БПК5 (мг/л)
очищенной воды согласно соотношению
0, 6
.
(9.8)
БПК 5 0,94Cex
На рис. 9.2 представлены результаты расчета радиального отстойника по эксплуатационной модели и сравнение их с результатами расчетов по СНиП 2.04.03–85 при значении илового индекса
соответственно 100, 150 и 250 см3/г.

3
4
1
5

2

9.3. Конструкции вторичных отстойников

134

Рис. 9.5. Устройство вторичного радиального отстойника:
1 – подводящий трубопровод иловой смеси; 2 – трубопровод возвратного активного ила; 3 – стальной распределительный кожух; 4 – сборный лоток
очищенной воды; 5 – илосос
6

3 5

12

1

9

11

7
2

D1

H

4

Hn

Для очистных сооружений небольшой производительности
(до 20 тыс. м3/сут) применяются вертикальные вторичные отстойники, для очистных станций средней и большой пропускной способности (более 15 тыс. м3/сут) – горизонтальные и радиальные.
Вертикальные вторичные отстойники по конструкции бывают:
• круглые в плане с конической иловой частью, аналогичные
первичным, но с меньшей высотой зоны отстаивания;
• квадратные в плане (12×12 м, 14×14 м) с четырехбункерной
пирамидальной иловой частью.
К достоинствам этого типа отстойников относят удобство удаления осевшего ила под гидростатическим давлением, компактность их расположения и простота конструкции. Основными недостатками является большая глубина и возможность развития анаэробных процессов в осевшем активном иле.
Горизонтальные вторичные отстойники по движению воды
аналогичны первичным.
Конструктивные особенности вторичных радиальных отстойников показаны на рис. 9.5 и 9.6.
Иловая смесь подводится к центральному распределительному
устройству – коническому раструбу внутри металлического цилиндра. Осветленная вода собирается в кольцевой желоб по периметру
отстойника. Активный ил удаляется самотеком под гидростатическим давлением через щели (сосуны) подвижного илососа в иловую
камеру с регулируемым водосливом. Недостаток этих отстойников
заключается в сложности регулирования работы илососов.

D
3 4

D3

D2
8

12
10

7

2

11

Рис. 9.6. Конструктивные особенности вторичного радиального отстойника:
1 – помост технический; 2 – илосос; 3 – сифон; 4 – сборник промежуточный;
5 – регулируемый распределительный кожух; 6 – вакуумные насосы;
7 – сборник плавающих веществ; 8 – поверхностные скребки;
9 – поворотный узел; 10 – привод вращения фермы; 11 – щетка дорожки;
12 – щетка водослива
135

Существуют модификации радиальных отстойников, в которых используется принцип низкоградиентного перемешивания
и усовершенствованный илосос, что позволяет снизить содержание
взвешенных веществ в осветленной воде и повышение концентрации циркуляционного активного ила.

Лекция 10. ДООЧИСТКА И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ
СТОЧНЫХ ВОД
Превышение допустимых значений концентрации очищенной
воды при ее сбросе в водные объекты может произойти по многим
показателям: по концентрации взвешенных веществ, БПК5 и БПКn,
ХПК, соединениям азота и фосфора, по нефтепродуктам и СПАВ,
солям тяжелых цветных металлов и т. д. Взвешенные вещества
(вынос активного ила из вторичных отстойников) вносят солидный
вклад в массу остаточных примесей по БПК и ХПК, по общему
и минеральному фосфору, по СПАВ и тяжелым металлам. Поэтому
снижению концентрации взвеси уделяется особое внимание, и на
первый план выходит фильтрация очищенной воды.
10.1. Фильтрация очищенной воды
Процесс фильтрации представляет собой задержание твердых
частиц на фильтрующих средах – пористых (мембранных) перегородках, засыпных зернистых материалах, объемных пластмассовых
элементах. Общее представление о сущности процессов показано
в табл. 10.1 и на рис. 10.1.
Виды мембранной фильтрации
Диаметр
микропор исХарактеристика
пользуемых
задерживаемых примесей
мембран, 10–9 м
Микрофиль200–10 000
Водоросли, бактерии, мехатрация
нические частицы
Ультрафиль5–200
Взвешенные и коллоидные
трация
частицы, бактерии, вирусы,
крупные органические молекулы
Нанофильтра1–20
Соли, органические вещеция
ства
Обратный
0,1–2
Молекулы (ионы) раствоосмос
ренных солей
Способ
фильтрации

136

137

Таблица 10.1

Рабочее
давление,
атм
0,1–1
2–8

3–10
10–25

По мере уменьшения отверстий (пор) в фильтрующих материалах осуществляется задержание твердых частиц все меньшего
размера, вплоть до коллоидных частиц и крупных макромолекул.
При этом производительность фильтров быстро снижается, в частности для процессов микро- и ультрафильтрации. В практике очистке сточных вод используются микро- и ультрафильтры с размерами пор, исчисляемыми долями микронов, а также песчаные
и сетчатые фильтры с отверстиями от 10 до 50 микрон.

нию очищенной воды придается большое значение. В СНиП [9]
табл. 52 расчетные параметры приведены относительно Kвзв и БПК
более 15 мг/л. При значениях показателей до 10 мг/л и ниже эффективность очистки снижается.
На малых по производительности станциях (Qсут менее
1000 м3/сут) устанавливают напорные фильтры, на средних станциях – открытые фильтры со строительным шагом 3, 4,5, 6 и 7,5 м,
квадратными либо прямоугольными в плане, с односторонним либо
двухсторонним расположением ячеек.
а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рис. 10.1. Технологические характеристики мембран

Песчаные фильтры. Используется кварцевый песок крупностью от 0,5 до 3–5 мм. Мелкий песок применяется для тонкослойных фильтров (h = 5–8 см), крупностью 1–1,5 мм для обычных
фильтров, 2–3 мм для сверхскоростных фильтров либо для верхнего слоя многослойных фильтров. На рис. 10.2 показана классификация технологических схем работы различных фильтров. В дополнение на рис. 10.3 приведена технологическая схема доочистки
сточных вод на каркасно-засыпных фильтрах с фильтрацией воды
сверху вниз.
Эффект очистки по взвешенным веществам на обычных скорых фильтрах достигает 60–70 %, снижение БПК от 50 до 60 %; на
двухслойных, каркасно-засыпных и аэрируемых БПК снижается на
65–75 %. Особое значение приобретает удаление фосфора в составе
взвешенных веществ. При содержании фосфора 3 % в массе взвеси
будет находиться 0,3 мг/л Р при выносе ила 10 мг/л, и до 0,5 мг/л
при содержании фосфора порядка 5 %. По этой причине осветле138

Рис. 10.2. Технологические схемы работы фильтров доочистки:
а – фильтрация сверху вниз при крупности загрузки d = 1,5–1,7 мм и скорости фильтрации v = 6–7 м/ч; б – то же, при d = 5 мм и v = 12–16 м/ч; в – то же,
двухслойная загрузка, d1 = 2–3 мм, d2 = 1,5 мм и v = 7 – 8 м/ч; г – фильтрация
снизу вверх при крупности загрузки d = 1,5 – 1,7 мм и скорости фильтрации
v = 10 – 12 м/ч; д – фильтрация сверху вниз, каркасно-засыпной фильтр при
крупности загрузки dк = 40 – 50 мм, dп = 1 – 1,2 мм и скорости фильтрации
v = 10 – 12 м/ч; е – то же, оксипор аэрируемые, двухслойные при d1 = 2 – 3 мм,
d2 = 1,2 – 1,5 мм и v = 3 – 4 м/ч; СВ – биологически очищенные сточные воды; ОВ – осветленная очищенная вода; В – подача сжатого воздуха

139

мывки фильтровального полотна. Для этого она под давлением до
10 бар разбрызгивается через форсунки. Скорость фильтрации
5–6 м3/(м2ч) при диаметре (прозоре) отверстий 10 микрон, и до
8 м3/(м2ч) при отверстиях 20 микрон. Концентрация взвешенных
веществ в осветленной воде 2–3 мг/л (d = 10 мкм) и до 4–5 мг/л
(d = 20 мкм). Технические данные по фильтрам марки Hydrotech
приведены в табл. 10.2.

6
5
5
4
3

2

9

8

7
1
2

1

3

Рис. 10.3. Технологическая схема установки доочистки биологически очищенных сточных вод с применением каркасно-засыпных фильтров:
1 – насосная станция подачи воды на доочистку (НСВД); 2 – приемный резервуар НСВД; 3 – трубопровод исходной воды; 4 – трубопровод подачи воздуха на доочистку; 5 – фильтры; 6 – трубопровод отвода промывной воды
и первого фильтрата; 7 – насосная станция промывки фильтров; 8 – резервуар
промывной воды; 9 – трубопровод доочищенной воды

Регенерация (промывка) загрузки осуществляется в три фазы:
сначала ворошение загрузки сжатым воздухом без промывки водой,
затем в сочетании с промывкой водой 4–5 мин, далее промывка
чистой (фильтрованной) водой до 5 мин для восстановления структуры фильтрующего слоя. Периодически загрузку помещают на сутки в хлорную воду (NaOCl до 100–150 мг/л) для окисления и отделения органических пленок на поверхности зерен.
Сетчатые фильтры представляют собой аппараты непрерывного действия: в нижней части круглых дисковых фильтров происходит фильтрация воды изнутри в наружу, при вращении дисков
в верхнем положении производится промывка фильтрующей поверхности чистой водой. Схема фильтра показана на рис. 10.4.
Для фильтрации используются металлические сетки либо плетеные пластмассовые полотна. Исходная вода поступает во внутреннюю полость фильтра, под напором в 0,3 м профильтровывается
в сборную камеру. Часть осветленной воды используется для про140

4
5
7
6

Рис. 10.4. Дисковый сетчатый фильтр:
1 – фильтрующие полотна; 2 – форсунки для промывки; 3 – отвод осадка;
4 – отвод промывной воды; 5 – подача исходной воды на доочистку;
6 – отвод избытка воды; 7 – отвод осветленной воды
Таблица 10.2

Тип фильтра
HSF 1700
HSF 2200
HSF 2600

Количество дисков
3–8
3–24
12–30

Производительность, м3/ч
80–220
165–1300
740–2200

Указана производительность для доочистки сточных вод. Сетка 10 мкм. Концентрация ВВ на входе 20 мг/л. Периодически
фильтрующие пластины промываются раствором СПАВ и NaOCl,
а также щавелевой кислотой.
141

10.2. Мембранная очистка воды
Применяется для глубокой очистки, чаще всего при повторном
использовании воды в промышленности. Используются половолоконные и плоские элементы.
В зависимости от диаметра пор происходит задержание частиц
разной крупности, в том числе клеток достаточно крупных бактерий, таких как кишечные палочки.
Фильтрация воды через мембраны происходит за счет перепада
давления ∆P, исчисляемого от низких значений (не более 0,025 бар)
до весьма высоких (несколько бар).
Для доочистки сточных вод применяют мембраны с низким
давлением.
К материалам мембран предъявляются специфические требования, позволяющие поддержать их проницаемость в течение 5–7 лет.
Восстановление фильтрующей способности мембран достигается
различными способами, в том числе химической обработкой, позволяющей окислять органические вещества в порах и растворять
пленки из окислов металлов на поверхности волокон или полотен.
Некоторые из мембран имеют бактерицидные свойства, благодаря
чему уменьшается опасность биологического обрастания порового
пространства.
Структуру слоя ила на поверхности мембран принято отображать в виде тонкой пленки органического материала (внеклеточные
органические полимеры, биополимеры), омываемые иловой смесью. Биополимеры в общем виде представляют смесь гумусных соединений, белков и углеводов.
Следует иметь в виду, что на мембране происходит изъятие
нерастворимых (дисперсных) примесей, снижение количества растворенных органических примесей не столь существенное.
Для удаления биопленки с поверхности мембран используют
крупнопузырчатую интенсивную аэрацию. Аэрацию осуществляют
непрерывно, либо в пульсирующем (прерывистом) режиме.
Пропускная способность мембран, известная из литературных
источников [33, 34], колеблется в пределах от 8,0 до 15 л/(м2 ⋅ ч),
имеются сообщения о значениях до 25 л/(м2 ⋅ ч). Фирма «Huber» рекомендует величину пропускной способности на уровне 10 л/(м2 ⋅ ч),
фирма «Zenon» – до 12 л/(м2 ⋅ ч).
142

Производственная установка с плоскорамными сегментами
дискового типа показана на рис. 10.5.
а)

Подача
стоков

Очищенный
фильтрат

б)

Рис. 10.5. Установка мембранной
фильтрации фирмы «Huber»:
а – общий вид; б – разрез; 1 – резервуар (фильтрационная камера);
2 – мембранный блок; 3 – отводящий
трубопровод чистого фильтрата;
4 – подача воздуха для продувки;
5 – мембранный модуль; 6 – вращающийся вал с отверстиями; 7 – армированные шланги для сбора
фильтрата

143

Аппарат представляет собой набор дисков, состоящих из
8 сегментов с двухсторонними мембранами, вращающимися на валу. Отбор фильтрата осуществляется из каждого сегмента с помощью вакуума в период нахождения его в нижней части. Сегменты
в верхней части диска в это время аэрируются сжатым воздухом.
Концентрация взвешенных веществ после фильтра менее
1 мг/л.
Общеизвестны недостатки мембранной технологии: высокая
стоимость мембран и низкая пропускная способность по воде.
10.3. Обеззараживание очищенной воды
На обеззараживание должны направляться очищенные сточные воды с содержанием взвешенных веществ и БПК5 не более
10 г/м3. Состав очищенной воды приближается к установленным
показателям, учитывая применение коагуляции иловой смеси перед
вторичными отстойниками, положительное воздействие которой
отнесено в запас. При выборе способа обеззараживания руководствуются гигиеническими соображениями, главными из которых
являются возможность образования вредных продуктов (например,
хлорорганических веществ), продолжительность периода последействия дезинфектанта, необходимость ликвидации остаточного количества дезинфицирующего вещества (остаточный активный хлор
и т. п.). Примерная характеристика известных дезинфиктантов приведена в табл. 10.3 (свойства обозначены знаком плюс (много) или
минус (мало).
Таблица 10.3
Примерная эффективность действия дезинфектантов

Дезинфектант
Активный
хлор
Озон
Перекись водорода
УФО

++

–

+++

Относительная
доза
+

+++
+

++
+

++
+

+++
+++

+

+

-

++

Поражающее Антивирусная
Последействие
действие
активность

144

Очевидно, что каждый дезинфектант имеет специфические
преимущества и недостатки.
Появление ряда аппаратов ультрафиолетового облучения
(УФО) позволяет применять установки УФО самостоятельно либо
в сочетании с реагентами – гипохлоритом натрия NaOCI, пероксидом водорода H2O2, которые увеличивают продолжительность последействия. Установки большой производительности создают достаточно большое гидравлическое сопротивление (порядка 0,8–1,5 м
вод. ст).
Дозы излучения для различных представителей патогенных
микроорганизмов отличаются весьма значительно. В табл. 10.4 [29]
показаны дозы излучения для бактерий типа кишечной палочки,
вирусов, простейших организмов и спор.
Заметно, что поражение аденовирусов и спор требует больших
доз излучения, в то время как для бактерий они на порядок ниже.
Следует также учитывать загрязненность среды, в особенности
взвешенными веществами, в связи с чем при одинаковой дозе облучения на очистных станциях с глубоким удалением азота и фосфора поражение колиформных бактерий выше на порядок, т. е.
в 10–15 раз.
Согласно СП [11] доза ультрафиолетового облучения должна
быть не менее 30 МДж/см2.
Таблица 10.4

Микроорганизм

Вид

Staphylococus aureus
Escherichia coli
Staphylococus

Bacteria
Bacteria
Bacteria/Enteros
ossi
Enteric Virus

Polioviris Type 1
Adenovirus Type 40
Giarda lamblia
Criyptosporidium
parvum
MS-2 Virus
Bacilius subtilis
spores

145

Доза УФ-излучения, МДж/см2,
при степени инактивации
101
102
103
104
3,9
5,4
6,5
10,4
3
4,8
6,7
8,4
6,6
8,8
9,9
11
5,6
30
<2
<1

11
59
<3
<3

16
90
<5
<6

22
120
–
–

14
36

29
49

45
61

62
78

Лекция 11. ОБРАБОТКА ОСАДКОВ
11.1. Состав и свойства осадков
Удаление азота и фосфора в новых технологиях существенно
отражается на системах по обработке и обезвоживанию осадков.
Появляется необходимость в учете образующихся вторичных загрязнений, оценки возможности их ликвидации либо локальной
очистки.
Количество осадков. Количество (по весу сухих веществ)
осадка первичных отстойников (ОПО) зависит от эффективности
работы первичных отстойников. Эффект осветления в сухую погоду колеблется от 55 до 62 %, в среднем – 60 %. Так как на одного
жителя приходится около 65 г/чел.∙сут взвешенных веществ, то вес
осадка составит 39 или примерно 40 г/чел.∙сут при эффекте осветления чуть более 60 %. Прирост ила Pi , г/м3 , определяемый согласно [9], по БПКп равен
(11.1)
P imax = 0,8 ⋅ Свзв + 0,3 ⋅ Len .
Такая величина прироста (избыточного) ила характерна для
сильнонагруженных систем. При снижении нагрузки на ил Нi, что
характерно для аэротенков с нитрификацией, количество избыточного активного ила (ИАИ) снижается
1,1(0,8 Cвзв + 0,45Len
5 )
(11.2)
P ti =
H 0,15
i5 .
Т –15
1,018
Для
аэротенков
без
нитрификации
при
нагрузке
0,40–0,45 кг/кг∙сут прирост ила больше в 1,15 раза, чем при нагрузке 0,15–0,2 кг/кг∙сут. Множитель 1,1 в числителе формулы (11.2)
означает возможное увеличение прироста ила вследствие неучтенных факторов (запас в расчетах), которое обнаруживается в ходе
длительных наблюдений за работой очистных станций.
Так как количество выносимых из отстойников взвешенных
веществ в пересчете на одного жителя составляет 26 г/чел.∙сут
(65∙(1–0,60)), а БПК осветленной воды составляет примерно
40–45 г/чел.∙сут, то количество избыточного ила при нагрузке
0,2 кг/кг∙сут составит (Т = 15°) примерно 30 г/чел.∙сут.

146

Для оценки расчетов напомним, что прирост биопленки в высоконагружаемых биофильтрах принят равным 28 г/чел.∙сут.
Таким образом, суммарный вес осадков на одного жителя
приближается к 70 г/чел.∙сут. Если влажность уплотненной смеси
96,7 %, то объем осадков составит 2,1 л/чел.∙сут.
Соотношение веса твердой части в ОПО и ИАИ составляет
1,3:1 (40:30), а соотношение по объему – 1:1,1 (влажность ОПО
равна 96 %, ИАИ – 97,3 %). При уменьшении эффекта осветления
количество ОПО снижается, прирост ила возрастает.
В нормальных эксплуатационных условиях принимают количество ОПО 50–55 %, а ИАИ 45–50 % от общей массы, в среднем
50 на 50 %.
Минеральная (зольная) часть осадков зависит от системы канализации и технологии очистки стоков. В сухую погоду зольность
ОПО в среднем 30 %, во время дождей и снеготаяния возрастает до
40-45 %, а в дни сильных ливней достигает 50–55 %, главным образом за счет смыва глинисто-песчаных отложений в сети. Зольность
ИАИ 25–30 %, при весьма низких нагрузках повышается до 35 %.
При использовании реагентов зольность ила 40–45 % при дозе ила
в биоблоке 4–5 г/л. ХПК органической части ОПО приближается
к 1,5–1,7 г/г, а для ИАИ – к 1,4–1,5 г/г. Водоотдача ОПО выше, нежели ИАИ. Сравнивая удельное сопротивление фильтрации r осадка и ила, отметим увеличение r более чем в два раза для ила, в особенности при его уплотнении. Аналогично выглядит сравнение водоотдачи при центрифугировании.
Виды связи воды с осадками раскрываются в опытах по сушке
осадка. Выделяются характерные стадии в виде линий влажности
(прямые и кривые линии с переломами). Условное деление стадий
таково: вначале – стадия отделения свободной воды (гравитационное отделение свободной воды), затем стадия отделения физикомеханической связи воды с твердым веществом (капиллярная вода,
вода смачивания частиц) при использовании давления отжима
осадков, и затем стадия отделения физико-химически связанной
воды путем реагентной (либо тепловой) обработки. Химически связанная вода (5–7 %) выводится из осадка при прокаливании (сжигании). Реагентная обработка предполагает нейтрализацию электростатического заряда частиц осадка и укрупнение частиц в агломераты. Применяются реагенты на основе Ca+2, Mg+2, Fe+3, Al+3 , то
есть элементы с положительной валентностью. Большое распро147

1
3
2

NH4, PO4, мг/л

11.2. Обезвреживание осадков

ЛЖК, г-экв./л; vгаз, %; pH⋅10

странение получили органические полиэлектролиты (флокулянты)
с большой молекулярной массой (более 106 атомов в молекуле)
и положительным зарядом (катионного типа).

В осадках из первичных отстойников (ОПО) и в избыточном
активном иле (ИАИ) содержатся многочисленные вредные примеси
промышленного и бытового происхождения: нефть и нефтепродукты, СПАВ, тяжелые цветные металлы, красители, ядохимикаты, радиоизотопы. В них могут содержаться самые разнообразные возбудители заболеваний, среди которых особое внимание привлекают
глисты. Полная ликвидация всех вредностей возможна только при
сжигании осадков, в остальных случаях хранения и использования
осадков достигается частичное обезвреживание. Одним из видов
обезвреживания является стабилизация – придание осадкам свойств
незагниваемости при длительном хранении в природных условиях.
Нестабилизированный осадок при хранении загнивает, выделяя
дурнопахнущие вещества, разжижается и проседает, образуя промоины и загрязненные потоки дождевых и талых вод.
Далее будет рассматриваться только один метод обезвреживания осадков – стабилизация.
Стабилизация осадков. Осуществляется биологической обработкой осадков в аэробных и анаэробных условиях.
Анаэробная обработка производится в специальных сооружениях с подогревом и перемешиванием смеси либо в сооружениях
без использования подогрева и перемешивания открытого либо закрытого типа. К сооружениям такого типа относятся метантенки,
перегниватели, различные септики, включая двухъярусные отстойники. Метантенки являются наиболее совершенными сооружениями с подогревом и перемешиванием бродящей массы. Анаэробная
обработка происходит в несколько характерных этапов. Ход брожения осадков во времени показан на рис. 11.1. Вначале развивается типичное кислое брожение органических веществ с участием
всех видов аэробных и факультативных микробов. В жидкости накапливаются многочисленные кислоты, наличие которых оценивается по летучим кислотам жирного ряда (летучие жирные кислоты
ЛЖК), содержащим от двух до 6–8 атомов углерода.

Последним представителем ЛЖК является уксусная кислота
CH3COOH, которая в конечном итоге распадается на СО2 и СН4.
Брожение органических веществ сопровождается понижением pН
иловой смеси и бурным выделением СО2. Образованные кислоты
далее подвергаются распаду, причем из них постепенно удаляются
кислородсодержащие анионы. Исчезновение кислородсодержащих
структур определяют по образованию сероводорода: сульфаты восстанавливаются до сероводорода по формальной схеме S+6 → S+4 →
→ S+2 → S2 → S–2. Накопление сероводорода означает начальную
фазу строгого анаэробиоза и активного образования метана СН4.
За счет распада органических веществ в воде накапливается
NH4OH, жидкость подщелачивается, pН возрастает до 8–8,5. Количество аммонийного азота NH +4 достигает в жидкости значений
400–700 мг/л, кроме того, увеличивается содержание фосфора ортофосфатов PO 4– 3 до 60–120 мг/л. Такое высокое содержание азота
и фосфора в воде после метантенков создает трудности в очистке
сточных вод при возврате сливных потоков в голову сооружений.
Сбраживание осадков ведут в мезофильном (Т = 33 °С) либо в термофильном (Т = 53 °С) режиме. Термофильный режим позволяет
удвоить нагрузку на метантенк, однако требует большего количест-

148

149

4

5

t, сут

Рис. 11.1. Ход брожения осадка во времени:
1 – газовыделение Vгаз по СО2 и СН4; 2 – pН иловой смеси; 3 – содержание

NH +4 в иловой воде; 4 – содержание ЛЖК; 5 – содержание PO +4

ва тепла для подогрева. Метантенки рассчитывают по дозе загрузки
осадка Дmt ( %)
100 Q сут
=
100 ,
(11.3)
Д mt =
tmt W mt
где Wmt – объем суточного количества осадков, м3/сут; tmt – продолжительность сбраживания, сут.
Распад органического вещества для ОПО приближается к 53 %,
ИАИ к 44 %. В Своде Правил [11] рекомендуется доза загрузки не
более 7 % для мезофильного режима и не более 15 % для термофильного режима.
Доза загрузки приведена в табл. 11.1 [9].

за до 50–55 % продукт не воспламеняется и требуется для его сжигания подвод природного газа. В отдельно стоящих перегнивателях
температура осадка зимой 6–8 ºС, летом 15–20 ºС. В блокированных сооружениях через стену отстойника (осветлителя) происходит
подогрев осадка (температура в перегнивателе на 2–3 ºС ниже температуры воды). Доза загрузки осадка приведена в табл. 11.2.
7
1

6

Таблица 11.1

Режим
сбраживания
Мезофильный
Термофильный

93
7
14

94
7
16

Дmt, %
Влажность осадка, %
95
96
8
9
17
18

97
10
19

2
5

8

9

4

Схема работы метантенка показана на рис. 11.2. Газовое хозяйство следует проектировать в соответствии с СП [11]. Для некрупных очистных станций, из-за загрязненности выделяющегося
газа его следует сжигать в местных котельных.
Сырые, несброженные осадки подаются в верхнюю зону метантенка. Для перемешивания свежего осадка с бродящей массой
использован гидроэлеватор, но возможна установка мешалки либо
перемешивание при барботаже газом. Подогрев содержимого осуществляется паровым инжектором. Сброженный осадок поступает
в камеру с водосливом. Газы брожения (30–35 % СО2, 65–70 %
СН4) собираются в газовом колпаке, выход газа через сечение горловины обеспечивает разрушение корки из подсыхающих частиц
осадка. Благодаря кирпичному ограждению метантенка с воздушным зазором снижаются потери тепла.
Перегниватели устраивают в виде отдельных емкостных сооружений либо в блоке с первичными отстойниками или осветлителями (осветлители-перегниватели). Перемешивание осадков
обычно проводят насосами, перекачивая массу в течение 3–4 ч
один раз в сутки. Образующийся газ не собирают из-за выхода
большого количества СО2, так как при содержании углекислого га-

Двухъярусные отстойники (рис. 11.3) представляют собой
комбинированные сооружения, включающие горизонтальные отстойники (желоба) в верхней части и септическую камеру (перегниватель) в нижней части. Осаждающиеся частицы взвешенных

150

151

3

Рис. 11.2. Технологическая схема устройства метантенка:
1 – подача сырого осадка; 2 – теплообменник для нагрева осадка; 3 – насосы
циркуляции осадка; 4 – гидроэлеватор; 5 – выгрузка сброженного осадка;
6 – камера выгрузки осадка; 7 – газовая труба; 8 – сброженный осадок;
9 – тепловое ограждение
Таблица 11.2
Средняя температура осадка, ºС
Суточная доза загрузки осадка, %

6
0,72

8,5
1,02

10
1,28

12
1,7

15
2,57

А–А

пополняемого при деструкции аминосодержащих загрязнений,
с участием хемоавтотрофных бактерий-нитрификаторов. Ход процесса во времени показан на рис. 11.4.
2

1

R; ДАИ

1
3

А
Б
В

2

4

t, сут

4

Рис. 11.3. Двухъярусный отстойник:
1 – отстойные желоба;
2 – септическая камера; 3 – труба
для выгрузки осадка; 4 – подающий
лоток; 5 – отводящий лоток;
А, Б, В – зоны кислого, щелочного
брожения и уплотнения осадка

3
А

3

NO3, PO4, мг/л

веществ через щели в днище желобов попадают в септическую камеру, в которой происходит брожение осадка. В объеме камеры условно выделены зоны А – кислотного брожения, Б – метанового
(щелочного) брожения и зона В – затухания брожения и уплотнения осадка, согласно приведенному ранее графику хода брожения.

А
5

Осадочные желоба рассчитываются как горизонтальные отстойники по эффекту осветления 40 % для одиночных сооружений
либо по эффекту 50 % для спаренных (длина желобов равна двум
диаметрам) отстойников. Септическую камеру рассчитывают по
вместимости л/год на одного жителя (табл. 11.3)
Таблица 11.3

Среднезимняя температура сточных вод, ºС
Вместимость септической камеры, л/чел.·год

6
110

7 8,5
95 80

10 12 15 20
65 50 30 15

Аэробная стабилизация представляет собой окисление части
биодеградабельных веществ гетеротрофными бактериями-деструкторами до углекислоты и частичное окисление аммонийного азота,
152

Рис. 11.4. Ход процесса аэробной стабилизации:
1 – снижение массы твердого вещества R в осадке; 2 – концентрация азота
нитратов; 3 – концентрация фосфора фосфатов; 4 – дегидрогеназная активность биомассы ДАИ

Органические вещества (без золы) распадаются на 30–35 % до
углекислого газа и воды, в воде накапливается и затем окисляется
аммонийный азот, вследствие чего растет концентрация азота нитратов до 120–150 мг/л, возрастает также количество фосфора фосфатов до 40–60 мг/л. Активность дыхания бактерий оценивается по
ферменту дегидрогеназе (дегидрогеназная активность бактерий
ДАИ), которая снижается до нуля при развитии нитрификации. Повышенное содержание нитратов в иловой воде тормозит загнивание
осадков при их хранении на открытых площадках и полигонах,
в этом состоит положительная сторона процесса. Технологическая
схема узла показана на рис. 11.5.
Аэробный стабилизатор выполняется в виде аэрируемой емкости по типу аэротенков. Стабилизированный осадок направляется
в уплотнитель на 5–6 ч (показан вертикальный вторичный отстойник). Сливная вода направляется в голову очистной станции, уплотненный стабилизированный осадок влажностью 97–98 % обезвоживается.
153

Важным фактором является температура жидкости: в отдельно
располагаемых емкостях: в зимнее время она снижается до 5–6 ºС,
окисление веществ илом прекращается. По этой причине стабилизаторы блокируют с аэротенками, используя тепло сточных вод.
ИАИ
ОПО

(20 г/л). В вертикальных и радиальных уплотнителях влажность
уплотненного ила составляет 97,3–97,5 % (27–25 г/л).
На рис. 11.6 показан уплотнитель с трубчато-стержневой мешалкой. Плавное перемешивание ила способствует нарушению его

В

АС

Сл
ОС
Уп

Рис. 11.5. Технологическая схема узла аэробной стабилизации осадков:
АС – аэробный стабилизатор; Уп – уплотнитель; ИАИ – избыточный активный ил (уплотненный либо неуплотненный); ОПО – осадок первичных отстойников (либо фугат, фильтрат); Сл – сливная вода; ОС – стабилизированный осадок; В – сжатый воздух

Продолжительность стабилизации определяется концентрацией твердого вещества в осадках. При Т = 20 ºС для активного ила
принимают продолжительность 3–5 сут, для смеси ила с фугатами
(фильтратами) цеха обезвоживания 6–8 сут. Смесь уплотненного
ила и ОПО стабилизируют 10–15 сут, такой вариант является крайне невыгодным. Продолжительность стабилизации удваивается при
снижении температуры до 10 ºС.
Значительный вынос азота и фосфора со сливной и иловой водой вносит большие трудности по удалению биогенных элементов,
поэтому применять стабилизацию следует в ограниченных случаях,
когда не требуется их глубокое удаление.
11.3. Уплотнение и сгущение осадков
Наиболее разбавленную суспензию представляет ИАИ: концентрация ила в биоблоке 2–4 г/л, после вторичного отстойника 6–8 г/л
(влажность более 99 %). Обычно применяют гравитационные уплотнители с продолжительностью уплотнения от 9 до 16 ч. Уплотнители по типу вертикальных отстойников, не имеющие скребков
для сбора и выгрузки ила, позволяют снизить влажность до 98 %
154

Рис. 11.6. Илоуплотнитель с центральным скребком:
1 – платформа для обслуживания; 2 – привод; 3 – подача ила; 4 – датчик концентрации массы; 5 – трубчатый вал; 6 – периферийный желоб; 7 – мешалка
стержневая; 8 – скребок осадка; 9 – шкаф управления; 10 – отвод уплотненного осадка; 11 – отвод иловой воды

155

слоистой структуры, укрупнению хлопьев ила, выделению воды из
порового пространства. Сбор осадка осуществляется скребком.
Влажность уплотненного ила 96,5–97 % (35–30 г/л). Продолжительность уплотнения можно сократить вдвое при добавке флокулянтов (1–1,5 кг флокулянта на 1 т сухих веществ ила).
Сгустители применяются как первичная ступень подготовки
осадков перед их обезвоживанием. Различают аппараты фильтрационного и центробежного типа. Сгущение осадков достигают при их
фильтровании через полотна либо щели с отверстиями до 0,5 мм.
На рис. 11.7 показан сгуститель с горизонтальным фильтрующим
«столом». Сфлокулированные осадки распределяют на движущейся
ленте полотна, вода под действием силы тяжести стекает в поддон.

ный активный ил сгущается с влажности 98 до 93–94 %, а неуплотненный до влажности 94–95 %. В первом случае доза флокулянта
2–3 кг/т сухих веществ осадка, во втором 1,5–2 кг/т. Производительность сгустителя согласуется с аппаратом основного обезвоживания (ленточные либо камерные фильтр-прессы).
Барабанный сгуститель показан на рис. 11.8. Осадок и флокулянт подаются в флокулятор, в котором с помощью мешалки осуществляется плавное перемешивание смеси. Далее осадок направляется в наклонный фильтрующий барабан. Задержанный осадок
с внутренней поверхности полотна выгружается вращающимся
а)

а)

б)

б)

Рис. 11.7. Обработка осадков на ленточных сгустителях:
а – технологическая схема; б – устройство

Над поверхностью ленты установлены плужки для ворошения
осадка, благодаря чему высвобождается вода из замкнутых пор.
Фильтровальное полотно в возвратном цикле движения промывается чистой водой под давлением 8–10 бар. Уплотненный избыточ156

Рис. 11.8. Обработка осадков на барабанных сгустителях:
а – без шнека; б – с шнеком
157

шнеком. При вращении барабана полотно промывается чистой водой. Фильтрат от осадка и промывная вода отводятся на осветление. Примерно по такой же технологии действуют пластинчатые
сгустители. Вместо фильтрующего полотна используются металлические диски с зазором 0,5 мм. Сфлокулированный осадок подается
во внутреннюю полость дисков, сгущенный осадок выгружается
шнековым устройством. Центробежные сгустители действуют как
центрифуги со специальными устройствами для выгрузки пластичного осадка.
В ходе уплотнения и сгущения осадков происходит вытеснение фосфатов из тела клеток бактерий в воду. При уплотнении
и сгущении ОПО выделяется 10–15 мг/л фосфора, то же для ИАИ
15–20 мг/л. Самый неблагоприятный случай – совместное уплотнение и хранение ОПО и ИАИ. Бактерии фосфораккумулирующего
типа воспринимают контакт с ОПО как анаэробный процесс и интенсивно вытесняют фосфаты, 50–100 мг/л Р в течение 1–2 ч или
даже 200–250 мг/л при контакте в течение 4–5 ч. Следует избегать
длительного контакта ОПО и ИАИ.
Иногда для подавления вытеснения фосфора используют флотационное уплотнение ила и осадка, однако такой процесс в большой степени зависит от свойств ила и осадка, требует обязательного применения флокулянтов.
11.4. Иловые площадки

1–2 недель в зависимости от плотности твердой части осадка. После обнажения поверхности осадка (W3) начинается сушка до требуемой влажности Вл4. Сушка осадка зависит от температуры воздуха, относительной влажности и скорости потока воздуха (ветра)
над поверхностью осадка. Важным элементом является растрескивание корки в плотном осадке, обеспечивающим обнажение придонных слоев, высота слоя плотного осадка не должна превышать
6–8 см.
W1

W2

Вл1

Вл2
Вл3

W3

Вл4

W4
tу

tф

tс

t, сут

Рис. 11.9. Изменение объема и влажности твердой части осадка на иловых
площадках:
W1–W4 – относительный объем осадка (доли единицы); Вл1–Вл4 – влажность
твердой фазы осадка; tу, tф, tс – продолжительность уплотнения, фильтрации
воды, сушки осадка

В них подаются сырые либо сброженные осадки для естественного обезвоживания и сушки. Выполняют их в виде спланированных участков местности (карт), ограниченных грунтовыми валиками высотой 1–1,2 м. Поступающие жидкие осадки обезвоживают до влажности 78–80 %, достаточной для безопасного транспорта (без выделения иловой воды при тряске), и удаляют с помощью малой техники (погрузчики типа Bobcat). В летнее засушливое
время осадок досушивают до влажности 70 %. Процессы, происходящие на площадках при их наполнении, показаны во времени на
схеме (рис. 11.9).
Жидкий осадок объемом W1 несколько дней tу (2–3 сут) разделяется на уплотненную часть W2 и иловую воду. Далее происходит
фильтрация иловой воды в основание площадок (tф) в течение

По ходу обезвоживания заметим, что фильтрация большой
массы образовавшейся иловой воды затягивает обезвоживание до
десяти дней. Рационально удалить иловую воду на соседние свободные карты, на которых скорость фильтрации воды в десятки раз
выше ввиду отсутствия плотного осадка. Влажность жидкого осадка 97–97,5 %, уплотненного 92–93 %, в конце периода фильтрации
86–88 %, после обычной сушки 78–80 %.
Удаление иловой воды интенсифицирует производительность
иловых карт. Обычные площадки позволяют осуществить режим
годичной нагрузки на единицу площади до 0,8–1,2 м3/м2/год.
Эффективным средством повышения нагрузки в 2–3 раза являются
предварительная флокуляция жидкого осадка (доза флокулянта
1–2 кг/т) или его сгущение. Например, на одной из очистных станций Северо-Запада РФ используется предварительное обезвожива-

158

159

ние осадка на ленточных фильтр-прессах до влажности 84–86 %
(влажность, позволяющая транспортировать осадок автосамосвалами)
и вывоз его на иловые площадки для дальнейшего обезвоживания.
Схема устройства площадок с отводом иловой воды показана
на рис. 11.10.
I–I

2

1

3

5

где Qсут – расход осадка, м3/сут; t – часть года, в течение которого
производится обезвоживание осадка (t = 1 для полного цикла,
t = 0,2 как аварийный режим, t = 0,2–0,5 при использовании площадок под намораживание осадка в зимнее время); Kкл – климатический коэффициент (см. черт. 3 СНиП); α = 0,75–0,8 – подледный
отвод иловой воды при намораживании осадка на полностью заполненных площадках. Гидравлическая нагрузка q, м3/(м2⋅ год), принимается исходя из условий подготовки и обезвоживания осадков.
11.5. Приготовление и дозирование флокулянтов

4
3

2

Высокомолекулярные флокулянты катионного типа Praestol,
Zetag, Sanflok и другие доставляют в порошкообразном виде
в мешках. Обычно используется двух- или трехступенчатая схема
приготовления рабочего раствора крепостью 0,15–0,2 % (1,5–2 г/л).
Полная схема приготовления показана на рис. 11.11. Флокулянт из
мешков за счет вакуума (от пылесоса) загружается в дозатор
порошка 2 в необходимом количестве и периодически (1–3 раза
в сутки) направляется в затворный бак 3, куда подается горячая вода.

5
7

Рис. 11.10. Схема устройства иловых площадок:
1 – подача осадка; 2 – гаситель напора; 3 – дренаж иловой воды;
4 – дорога; 5 – перепуск иловой воды

По напорному осадкопроводу 1 жидкий осадок напускается на
карту. Для предотвращения размыва днища устанавливается гаситель напора 2 в виде ящиков с щелями. На площадке устроены дренажи 3 для сбора и отведения иловой воды. Имеется бетонная дорога 4 для вывоза обезвоженного осадка. Перепускное устройство 5
выполняется из досок с уплотнением швов (шандоры), либо как
система шиберов на различных уровнях (2–3 шибера на высоте
0,1–0,6 м от дна площадки).
Площадь карт определяется по формуле
Qсут ⋅ 365 ⋅ t ⋅ α
,
(11.4)
F=
q ⋅ K кл
160

2
1

3
4
5
6
Рис. 11.11. Схема приготовления раствора флокулянта:
1 – мешок с порошком флокулянта; 2 – дозатор порошка; 3 – затворный бак;
4 – растворный бак; 5 – винтовой насос-дозатор; 6 – вихревой смеситель;
7 – пылесос; В – чистая вода

161

При плавном перемешивании происходит созревание продукта
крепостью 1–1,5 %. Гель передается в растворный бак 4, в котором
доводится раствор до крепости 0,3–0,5 %. Далее насосом-дозатором
5 необходимое количество флокулянта подается в вихревой смеситель 6, в котором крепость раствора регулируется за счет подачи
воды в диапазоне 0,2–0,1 % (оптимум 0,15 %).

11.6. Центрифуги
В Санкт-Петербурге и пригородах наибольшее распространение получили центрифуги и центрпрессы. Схемы работы прямоточных (а) и противоточных (б) центрифуг показана на рис. 11.14.

а)

1
4

6

1

3

7

3

5
2

Рис. 11.12. Конструктивные особенности винтового насоса-дозатора:
1 – ротор в виде винта; 2 – статор; 3 – карданная передача; 4 – уплотнение
вала; 5 – мотор-редуктор; 6 – всасывающий патрубок; 7 – напорный патрубок

Э, %

Действие флокулянта состоит в нейтрализации отрицательного заряда частиц осадка и формировании хлопьев осадка за счет образования мостиков между агрегатами. Имеется определенный оптимум в дозе флокулянта, показанный на рис. 11.13. Доза флокулянта оценивается в кг на 1 т сухих твердых веществ осадка.

Рис. 11.13. Примерный
вид зависимости эффекта разделения Э от
дозы флокулянта

Дф, кг/т

162

4

б)

4

2

3

2

1

Рис. 11.14. Схема работы центрифуг:
1 – подача осадка;
2 – впуск осадка в ротор; 3 – выход кека;
4 – выход фугата

Преимущества и недостатки обоих типов центрифуг, по заявлениям
фирм-изготовителей, несущественны. Исходя из принципов частичной или полной автоматизации управления их работой, выделим
основные параметры. Фиксированные (малоизменяемые) параметры: число оборотов ротора, дифференциал частоты вращения ротора и шнека ∆n, диаметр сливных порожков. Входные параметры по
осадку – концентрация сухих веществ в осадке, соотношение осадка и ила, зольность осадков, их температура – определяют расход
подаваемого осадка в оперативном динамическом режиме либо
в течение определенного отрезка времени. Доза флокулянта (зависимая от типа и концентрации реагента) служит другим оперативным параметром, определяющим результаты процесса.
Если расход осадка – стационарная величина, то доза флокулянта становится главным управляющим параметром, влияющим
на концентрацию кека и состав фугата. Сложность оптимизации
параметров в том, что состав осадков в течение достаточного количества времени (один час или несколько часов) должен быть одинаковым. Очевидна необходимость устройства смесителя163

аккумулятора осадков, перемешивание в котором может осуществляться мешалками, насосами или путем аэрации. Последний способ, на наш взгляд, является более предпочтительным. Смесь осадков хорошо гомогенизируется, аэрация предотвращает их загнивание, при соответствующих условиях происходит отделение связанного песка. Схема обезвоживания осадков показана на рис. 11.15,
схема подготовки осадков к обезвоживанию на центрифугах –
на рис. 11.16.

4

1
3

2
1

7
4

5

2
1

6
11

9

12 13

5
8
10

1

2
7

2

5

6

3 4

Рис. 11.15. Технологическая схема обезвоживания осадков на центрифугах:
1 – резервуар осадка; 2 – мацератор; 3 – винтовые насосы-дозаторы шлама;
4 – приводы насосов-дозаторов; 5 – подающий трубопровод осадка; 6 – винтовые насосы-дозаторы флокулянта; 7 – приводы насосов-дозаторов; 8 – всасывающие трубопроводы; 9 – растворные емкости флокулянта; 10 – напорный трубопровод флокулянта; 11 – центрифуга; 12 – шнек; 13 – барабан (ротор)

Осадки смешиваются, проходят через решетку с малыми прозорами, поступают в аэрируемый резервуар, далее насосом через
мацератор (измельчитель) направляются в центрифугу. Порошкообразный флокулянт подается в диспергатор, далее раствор дозревает в баке, а затем разбавляется и дозатором подается на вход центрифуги. Кек насосами либо транспортерами отправляется на вывоз, фугат откачивают в голову очистной станции.

164

Рис. 11.16. Подготовка осадков к обезвоживанию на центрифугах:
1 – первичные отстойники; 2 – насосные станции откачки осадков из первичных отстойников; 3 – уплотнитель избыточного ила; 4 – решетки; 5 – резервуары; 6 – насосная станция фильтрованного осадка первичных отстойников;
7 – насосная станция уплотненного ила

В центрифуги и центрипрессы флокулянт вводят во входную
трубу либо прямо в ротор во избежание разрушения флокул осадка
в момент соприкосновения струи осадка с вращающимся объемом
жидкости в роторе.
Основные параметры, влияющие на эффективность центрифугирования, представлены на рисунке 11.17. Параметры 1–8, как
правило, фиксируются или управляются. Поэтому самое существенное влияние на результаты обезвоживания оказывает состав поступающих осадков (параметры 9–14) на рис. 11.17. На рис. 11.18
и 11.19 по двум станциям показаны изменения дозы флокулянта (а)
и концентрации кека (б) в зависимости от содержания избыточного
ила в осадке (соотношение осадка и ила). С увеличением содержания ила доза флокулянта возрастает примерно в два раза, в то время
как концентрация кека снижается почти в такой же пропорции.
Очевидно, что нужно предпринять все возможные меры по сокращению прироста ила на станциях.
165

Рис. 11.19. Изменение концентрации кека в зависимости от содержания активного ила в центрифугируемых осадках различных станций

Рис. 11.17. Факторы, оказывающие влияние на эффективность
центрифугирования

Изменение диаметра слива (высоты слоя жидкости в роторе)
также влияет на процесс обезвоживания. Высота слоя определяет
продолжительность пребывания t осадка в осветлительной зоне
(t = Woc/Qoc), поэтому при постоянном диаметре слива и увеличении
расхода осадка продолжительность пребывания снижается, и это
воздействие должно чем-то компенсироваться. Увеличение дозы
флокулянта способствует формированию крупных флокул и быстрому их осаждению на периметр ротора, что отображается на
рис. 11.20 (Qt/Qo – относительное увеличение производительности,
Dt/Dо – относительное увеличение дозы флокулянта).
Ориентировочно возможно принять прямую пропорцию между ростом расхода осадка и увеличением дозы флокулянта (в технологически приемлемом диапазоне). Влажность кека и эффективность разделения осадка зависит от относительной скорости вращения шнека n (дифференциала – разницы в скорости вращения
шнека и барабана): среднее значение n составляет 4 мин–1, максимальное – 8–10 мин–1.
Примерные показатели работы центрифуг приведены по данным зарубежной и отечественной литературы (табл. 11.4 и 11.5).

Рис. 11.18. Изменение требуемой дозы флокулянта в зависимости от содержания активного ила в центрифугируемых осадках

166

167

Технологические показатели работы центрифуг
Тип осадков

Dt/Dо

Активный ил в технологии денифо
То же с коагуляцией
на вторичных отстойниках
Осадок первичных отстойников
Смесь осадка и избыточного ила

Таблица 11.5

Доза
Концентрация кека по сухому
флокулянта, кг/т
веществу, %
8–10

20–22

8–9

21–23

5–7

28–32

6–8

25–27

Qt/Qо

Совместное и раздельное обезвоживание осадков. Длительное пребывание избыточного ила в контакте с осадком первичных
отстойников приводит к вытеснению фосфатов из тела клеток
и вынос их с фугатом. При совместном обезвоживании осадков желательно сократить время их контакта за счет использования
средств механического сгущения. При отсутствии сгустителей возможно принять раздельно (во времени) обезвоживание осадков по
графику, составленному в соответствии с объемами ила и осадка.

В определенные дни недели осуществляется обезвоживание
уплотненного избыточного ила, в другие – осадка из первичных отстойников. Такая практика проверялась на некоторых очистных
станциях и зарекомендовала себя с лучшей стороны. При обезвоживании осадка из отстойников доза флокулянта составляла
4–5 кг/т, для ила доза возрастала до 5–6 кг/т. Однородный состав
обезвоживаемой массы упрощал контроль и автоматизацию процесса, стабилизировал концентрацию кека (20–23 кг/м3 для ила
и 25–27 кг/м3 для осадка). Раздельное обезвоживание минимизирует возврат фосфора с фугатом.
Результаты испытаний центрифуги AD 2040 фирмы «Westfalia
Separator» на осадках приведены на рис. 11.21.
Центрипрессы. Это разновидность центрифуг, работающих
при гораздо больших числах оборотов (n = 4–6 тыс. об./мин) по
сравнению с обычными центрифугаами (n = 2–3 тыс. об./мин). При
этом фактор разделения Фр возрастает в 4 раза, так как
n2 R
,
Фр =
900
где R – радиус барабана.
Опасность сильнейшего соударения выходящего из подающей
трубы осадка с ротором заставляет вводить осадок более плавно:
сначала в приемную камеру внутри полости шнека, а затем через
отверстия в зону разделения. Устройство центрипресса фирмы
«Flottweg decanter» показано на рис. 11.22. Для прессования осадка
необходимо создать пробку из кека на выходе и поддерживать ее

168

169

Рис. 11.20. Влияние увеличения производительности центрифуги на потребную дозу флокулянта

Объемная производительность центрифуг

Диаметр ротора, мм
250
300–350
400–450
500–550
700–750
900–1000

Таблица 11.4

Производительность, м3/ч
Средняя для осадков
Пределы изменения
городских сточных вод
(ГСВ)
1–6
2–3
5–10
4–5
8–20
10–15
15–30
20–25
30–80
40–50
50–100
70–80

1
3

2

Рис. 11.21. Результаты обезвоживания сырой смеси осадков при различном
содержании избыточного активного ила на центрифуге AD 2040 фирмы
«Westfalia Separator»:
ЦСА: 1 – расход 30–35 м3/ч, доза флокулянта 5,8–6,3 кг/т СВ; 2 – расход
45–47 м3/ч, доза флокулянта 3,1–5,8 кг/т ПСА: 3 – расход 30 м3/ч, доза
флокулянта 5,5–8 кг/т

6

5

4

3
1

8

7

2

Рис. 11.22. Схема работы центрипресса:
1 – ввод осадка; 2 – ввод флокулянта; 3 – корпус; 4 – барабан; 5 – шнек;
6 и 7 – приводной шкив барабана и шнека; 8 – сливные отверстия фугата
170

в течение всего периода работы. Объем зоны прессования осадка
невелик, поэтому без автоматического регулирования процесса
пробка либо выталкивается из аппарата, либо переуплотняется,
создавая риск возможной аварии. Ко всем прочим регулировкам
добавляется задача удержания пробки при колебаниях расхода
и состава осадка. Эта проблема была решена путем измерения и регулирования крутящего момента, создаваемого осадком на выходе
из пресса. Величина крутящего момента (Ньютон на метр) оценивалась по параметрам работы генератора электрического тока, приводимого в движение за счет контакта с массой выгружаемого
осадка. Сила тока генератора являлась основным регулировочным
параметром, который влиял на дифференциал n и своевременно
управлял процессом. В таком случае загрязненность фугата и эффект разделения выводятся за рамки управляющих параметров
и носят чисто информационный характер. Для оптимизации работы
центрипрессов необходимо установить зависимость между расходом и концентрацией осадка и дозой флокулянта, желательно на
длительный период работы узла обезвоживания. Как следствие, появляется необходимость в аккумулировании ОПО и ИАИ посредством накопления осадка в первичных отстойниках и ила в аэротенках.
Взаимозависимость параметров работы центрипрессов.
Данные по работе центрипрессов приводятся по источнику [21].
С увеличением расхода смеси несброженных осадков концентрация
кека довольно быстро падает (рис. 11.23), в особенности для центрипрессов небольшой производительности, но в любом случае
имеется участок на кривой со стабильными условиями обезвоживания. Как для центрифуг, так и для центрипрессов с увеличением
концентрации исходной смеси растет концентрация кека, но главным образом за счет увеличения доли ОПО.
Сравнительная эффективность работы идентичных центрифуг
и центрипрессов при различных дозах флокулянта «Zetag-89» показана на рис. 11.24 и 11.25, заметна перезарядка частиц осадка при
избыточных дозах флокулянта. Центрипрессы из-за большого числа оборотов имеют более высокий эффект разделения, в объеме
жидкой фазы наблюдается интенсивное перемешивание, поэтому
потребная доза флокулянта возрастает.

171

2

1

Рис. 11.23. Изменение концентрации кека трех типоразмеров центрипрессов
«Бирд Гумбольдт» при увеличении их производительности в режиме неизменного пропорционального дозирования флокулянтов

1

2

Рис. 11.24. Концентрация кека при обезвоживании осадков ЦСА на центрипрессах 1 и центрифугах 2 с использованием флокулянта «Зетаг-89»

172

Рис. 11.25. Эффект задержания сухого вещества и потребная доза флокулянтов «Зетаг-89» при обезвоживании осадков ЦСА на центрипрессах 1
и центрифугах 2

Современное развитие направления центрифугирования осадков предполагает увеличение числа оборотов ротора и фактора разделения, при наличии пробки в роторе аппарат работает в режиме
центрипрессов со всеми вытекающими последствиями. Поэтому
выбор аппаратов связан с весьма сложными и принципиальными
обстоятельствами. Многолетняя, бесперебойная и надежная эксплуатация аппаратов эффективна только при наличии квалифицированной системы обслуживания, в первую очередь ремонтной базы. При наличии в конструкции аппаратов узлов, защищенных патентами, не подлежащих вскрытию и ремонту, покупатель попадает
в вечную зависимость, поскольку заменяемые детали дорожают
сразу в несколько раз. Сравнивая с этой позиции центрифуги и центрипрессы (в том числе любые высокооборотные аппараты), сразу
отдадим предпочтение центрифугам, аппаратам с более низкими
оборотами и нагрузками, ремонт которых под силу обычным машиностроительным заводам. Центрипрессы, способные повышать
концентрацию осадка до 30 % (влажность 70 %), необходимо применять только при соответствующем обосновании, в первую очередь
технологического характера. Например, применение центрипрессов
в Санкт-Петербурге является неотъемлемой частью всей цепи сжигания осадков, поскольку наличие избыточной влаги в осадке резко
173

увеличивает затраты тепла. Наличие песка в осадке (рис. 11.26) усиливает угрозу износа шнека и может привести к нежелательным последствиям, несмотря на повышение эффекта разделения.

1

3

7

4

5

2

6

4

Рис. 11.27. Схема работы ленточного фильтр-пресса:
1 – подача осадка; 2 – флокулянт; 3 – смеситель; 4 – ленты; 5 – схождение
лент; 6 – фильтрующие барабаны; 7 – валки

s
Рис. 11.26. Влияние зольности твердой фазы кека на эффект задержания
взвешенных веществ

11.7. Ленточные фильтр-прессы
Принципиальная схема устройства ленточных фильтр-прессов
показана на рис. 11.27. Жидкий подготовленный осадок распределяется на ленте 4 и за счет фильтрации свободной воды образует
пастообразный слой, который зажимается при схождении лент 5.
Далее обе ленты направляются на фильтрующие перфорированные
барабаны 6, на которых под действием сил кручения происходит
отжим воды. Подготовленный таким образом осадок отжимается на
валках 7 с постепенным возрастанием сил давления. Затем ленты
расходятся и кек в виде сыпучего продукта транспортируется на
вывоз либо в бункер для временного хранения. Ленты промываются чистой водой, промывная вода и фильтрат отводятся на очистку.
В дополнение на рис. 11.28 представлены зоны работы ленточных
фильтр-прессов.
174

Рис. 11.28. Зоны работы ленточных фильтр-прессов

Ленточные фильтр-прессы различны по конструкции и набору
средств отжима осадка. В простейших конструкциях применяют
отжимные барабаны и 3–4 несоосных валка, создавая максимальное
давление до 6 бар. Средние по сложности аппараты (эконом-класса)
включают большее количество барабанов и валков, и в них давление отжима увеличивается до 8–10 бар. Сложные аппараты высокого класса за счет более высокого давления (до 12–15 бар) и большего набора средств обезвоживания продуцируют кек низкой влажности (до 70 %).
175

Важная роль в повышении эффективности работы фильтрпрессов принадлежит предварительной подготовке осадка. Если
к моменту схождения лент осадок будет жидким, то станет неизбежным выдавливание его из-под лент, из-за чего придется снижать
скорость протяжки полотен и производительность аппарата. Предварительная подготовка осадка может осуществляться в камерахфлокуляторах при плавном перемешивании осадка тихоходными
мешалками либо с помощью аэрации в течение 2–3 мин.
Другим способом подготовки может быть предварительное
сгущение осадка на ленточных либо в барабанных сгустителях, устанавливаемых непосредственно перед фильтр-прессами. После
сгустителя осадок приобретает структуру вязко-пластичной массы,
не вытекает из-под лент, и в дальнейшем формируется в виде пластины, зажатой между лентами. Фирмы «Андритц» и «Бельмер»
выпускают аппараты со встроенными ленточными сгустителями.
Подбор дозы флокулянта производится в ходе производственных испытаний.
Ленточный фильтр-пресс Power Press E (ширина ленты 1500 мм)
производства Andritz AG установлен в цехе обезвоживания в г. Сосновый Бор (Ленинградская обл.). Показатели работы приведены
табл. 11.6.

11.8. Камерные фильтр-прессы
Камерные фильтр-прессы – аппараты циклического действия,
базирующиеся на фильтровании осадка под давлением через
фильтровальное полотно с порами 10–300 мкм. Камеры фильтра
могут быть подвешены горизонтально либо вертикально. Отдельные камеры собираются в блок и герметизируются с помощью
домкрата. Для получения кека низкой влажности применяют надувные мембраны, отжимающие осадок под большим давлением
(до 15–20 бар). Принципиальное устройство и порядок действия
мембранного фильтра показаны на рис. 11.29.

Таблица 11.6
Параметры работы ленточного фильтр-пресса
По паспортным
данным
98
90–92

Технологические параметры
Влажность смеси осадков, %
То же после сгустителя, %
Производительность по исходному
осадку:
м3/ч

15

кг/ч по сухому веществу
Влажность кека, %
Состав фильтрата и промывной воды,
г/м3 (взвешенные вещества, ХПК, азот
аммоницный, фосфаты):
фильтрат
промывная вода
Расход промывной воды (Р = 8–10 бар),
м3/ч
Доза флокулянта, кг/т сухих веществ
Zetag 7689

176

Фактические
98
92,2

300
75

17 (оптимум)
19 (max)
340–380
75

–
–

50; 160; 35; 39
925; 1700; 5; 4

5,7

5,7

2–5

2,5–3,0

Рис. 11.29. Схема узла камерных фильтр-прессов: сервисная вода – вода для
приготовления флокулянта, для промывки полотна, создания давления
отжима осадка

В первоначальном положении плиты раздвинуты, поверх камер расположено промытое и подготовленное фильтровальное полотно. Затем камеры сдвигаются и герметизируются, и через центральный канал подается осадок в пространство между камерами.
На полотнах образуется слой намытого осадка, фильтрат по отдельным каналам отводится из межкамерного пространства. После
177

этого под мембрану подводится сжатый воздух, мембрана надувается и отжимает осадок, зажатый между фильтрующими полотнами. Далее сбрасывается давление, камеры раздвигаются и сформированный пласт осадка отрывается от полотна и падает на транспортер. Полотна промываются чистой водой и цикл повторяется.
Схема узла фильтр-прессов показана на рис. 11.30. Для создания давления осадка при фильтровании применяют высоконапорные насосы (до 12 бар), поэтому флокулянт вводят после насоса,
в смеситель вихревого типа (динамический смеситель).

циальным насосом), дожим осадка при помощи мембран под давлением до 15 бар (рабочая жидкость для создания давления – вода).
Далее центральный канал, заполненный полужидким осадком, продувается сжатым воздухом, после чего снимается давление в гидросистеме, камеры раздвигаются и осадок под собственным весом падает в шнековый транспортер. Параметры работы фильтр-прессов
при обезвоживании термофильно сброженного осадка, предварительно промытого технической водой и уплотненного, приведены
в табл. 11.7.
Таблица 11.7
Параметры работы камерных фильтр-прессов

Фильтр-прессы с размерами
камер, мм
15001500
15002000

Параметры
Конечное давление при закачке осадка,
бар
Продолжительность закачки (фильтрации),
мин
Давление дожима, бар
Продолжительность дожима, мин
Количество фильтроциклов в сутки
Производительность по сухому веществу,
кг (м2·ч)
Оптимальная доза флокулянта, кг/т сухого
вещества
Рис. 11.30. Разрез плиты камерного фильтр-пресса и функциональная схема
цикла:
А – исходный осадок; Б – основной фильтрат; В – промывная жидкость;
Г – сжатый воздух просушки; Д – промывной фильтрат; Е – продувочный
воздух; Ж – отфильтрованный осадок; З – фильтрующий элемент

На московских станциях аэрации применены несколько схем
работы мембранных фильтр-прессов с вертикально установленными камерами. Уплотненный осадок из промежуточных баков подается на фильтр-прессы, при этом контролируется расход осадка
и концентрация по сухому веществу. Флокулянт готовится по двухступенчатой схеме и дозируется прямо в трубопровод жидкого
осадка перед прессом. Цикл работы фильтр-пресса включает быстрое заполнение камер осадком (под давлением до 4 бар), основную фильтрацию (отжим) с давлением до 12 бар (создаваемым спе178

8

9

80

100

15
20
15–16

15
30
10–12

2,6–2,8

1,9–2,4

4,6–5,0

4,8–5,0

Аппараты рассчитываются по площади фильтрации и производительности по сухому веществу. Для сгущения осадков перед
фильтр-прессами устанавливают ленточные либо барабанные сгустители.
11.9. Компостирование осадков
В осадках городских сточных вод в значительном количестве
содержатся аэробные термофильные бактерии. Высокое содержание органических веществ в осадках создает благоприятные условия для их развития, скорость окисления загрязнений увеличивается, а так как окисление сопровождается выделением энергии в виде
теплоты, то осадок постепенно разогревается, вследствие чего процесс аэробной стабилизации усиливается. Разогрев осадка (при соблюдении достаточной аэробной среды) увеличивает температуру
179

до 55–65 °С, иногда до 70 °С. Для этого необходимо создать рыхлую структуру осадка и обеспечить проникновение воздуха в поровое пространство среды. Недостаточная аэрация приводит к накоплению углекислого газа внутри пор и подавлению активности бактерий. Массу осадка приходится перемешивать (переваливать), обнажая внутренние слои и создавая тем самым условия для продолжения аэробного термогенеза. Необходимые условия достигаются
при добавке в осадок влагопоглощающих добавок (торф, опилки,
солома) с целью снижения влажности смеси не более 70 %, разрыхляющих плотную массу обезвоженного осадка. Добавка торфа
влажностью не более 55 % в соотношении объемов 1:1 позволяется
добиться необходимого результата. Подготовленную массу формируют в виде буртов высотой до 1,5 м и шириной в основании до 4–5 м.
Бурт трижды переваливают для перемешивания внутренних
и внешних слоев и обеспечения обеззараживания (гибели яиц глистов) смеси. Такая простая, но многодельная технология применяется все реже.
Бесперевалочная технология компостирования предполагает
искусственную аэрацию буртов. На рис. 11.31 показана схема формирования бурта с аэрацией смеси. На платформе создается подушка из зрелого компоста, на которую укладывается свежеприготовленная смесь. Далее свежий осадок укрывается (зрелым компостом, торфом, опилками, грунтом) для развития высокой температуры, подается в канал (воздуховод) сжатый воздух, и разгоняется
термогенез.
Аэрацию ведут периодически (1–2 раза в неделю), отслеживая
температуру смеси (не ниже 45 °С). Через 3–4 недели (летом) температура бурта снижается до 30–35 °С (даже при аэрации), и бурт
оставляют на 2–3 недели для дозревания. Более высокая организация компостирования показана на рис. 11.32. Обезвоженный осадок
загружается во вращающийся биобарабан, добавляется как затравка
20–25 % возвратной смеси, осадок продувается горячим воздухом,
и за 36–48 ч в смеси развивается полноценный термофильный
(55–60 °С) аэробный процесс окисления органических веществ. Далее производится смешение осадка с наполнителем (торф, опилки)
и присадками. Для связывания азота и металлов добавляют древесный уголь, молотую глину. Добавка извести (доломита) закрепляет
фосфаты в иловой воде. Приготовленная смесь направляется на
дозревание в бурты.
180

а)

3
2

4

б)

в)

3

2

1

4

5

Рис. 11.31. Схема компостирования:
а – варианты вентиляции; б – схема устройства аэрируемого бурта; в – общий
вид ворошителя бурта: 1 – подушка из зрелого компоста; 2 – свежий осадок;
3 – укрытие бурта; 4 – воздуховод; 5 – жалюзийная решетка

Представленные примеры показывают направления в организации использования осадка в качестве удобрения.

181

а)

11.10. Сжигание осадка
3

Для сжигания осадка в Санкт-Петербурге применена печь
с кипящим слоем песка (рис. 11.33).

1

9
2
5

1
4

6

8

9

7

6
7

3

8
10

2

б)

16
11 13

12 14

Рис. 11.32. Технология компостирования осадка в две стадии:
а – технологическая схема узла компостирования; б – общий вид первой ступени: 1 – биобарабан; 2 – трубки для аэрации; 3 – смеситель – загрузочное
устройство; 4 – выгрузка биокомпоста; 5 – подогреватель; 6 – воздуходувка;
7 – шнековый смеситель; 8 – транспорт биосмеси; 9 – бурт дозревания;
Т – торф, опилки; Г – глина (адсорбент); И – известь (доломит); ОС – осадок;
РК – рециркуляция компоста

182

15

Рис. 11.33. Схема узла сжигания осадка:
1 – печь с кипящим слоем песка; 2 – кипящий слой; 3 – подача сжатого воздуха; 4 – участок пламенного сжигания; 5 – воздуходувка; 6 – подогрев воздуха; 7 – рекуператор тепла; 8 – бойлер; 9 – электрофильтр; 10 – сборник золы; 11 – колонна для растворения кислот в воде; 12 – сборник кислот;
13 – колонна для задержания летучих металлов; 14 – сборник осадка металлов; 15 – дымосос; 16 – дымовая труба; ОС – подача осадка; ТВ – техническая вода; П – отвод пара; К – кислоты; ГМ – гидроксиды металлов;
Щ – щелочь

Разогретый до 750 °С песок фонтанирует в конической части
печи (скорость воздуха 1 м/с) в виде тороида. Осадок вдавливается
в этот слой из подающих трубопроводов. В кипящем слое наружный
слой осадка подсыхает, песчинки обдирают подсушенную оболочку
частиц. Подсушенные частички выносятся под купол печи и сгорают
183

при температуре 850 °С. Более высокий разогрев не допускается из
соображений обеспечения прочности купола и предотвращения образования диоксинов (область температур 1000–1200 °С). Впрыскивание воды под купол позволяет поддерживать оптимальный температурный режим. Дымовые газы направляются в аппараты (теплообменники) для рекуперации тепла – сначала для подогрева воздуха до 650 °С, а затем для получения пара в бойлере. Частично охлажденный до 250 °С воздух подается в электрофильтр, в котором
под действием электрического статического заряда в 90 000 частицы прилипают к электродам, и затем сбрасываются в сборник золы.
Очищенные от твердых частиц дымовые газы направляются в колонну орошения (Вентури), в которой разбрызгивается вода. Летучие кислоты HCl, HF, H2SO4 растворяются в воде и сливаются
в сборник кислот (pН воды 1-2). Летучие металлы типа ртути, олова, цинка в щелочной колонне с насадкой (типа колец Рашига)
взаимодействуют с подаваемой щелочью и образуют малорастворимые гидроксиды металлов Me(OH)n. Далее дымовые газы подогреваются с 60 до 120 °С, благодаря чему не образуются длинные
шлейфы пара в воздухе и через дымовую трубу направляются в атмосферу. Показатели состава дымовых газов отвечают самым строгим нормативам. Зола вывозится на полигон для осадков, кислотнощелочные воды нейтрализуются и очищаются (по технологии обработки травильных растворов).
Сжигание осадка предотвращает загрязнение окружающей среды азотом и фосфором. Аммонийный азот в печи выгорает до N2,
фосфор накапливается в золе и депонируется.
Экономичность процесса сжигания базируется на поддержании автотермического режима, в котором тепло от сжигания органической части осадка покрывает потери на парообразование. Автотермический режим соблюдается при влажности осадка не более
75 % и зольности не выше 35 %.
11.11. Транспортировка обезвоженных осадков
Транспортирование обезвоженных осадков сточных вод на очистных сооружениях производится с использованием автомобильного
и трубопроводного транспорта и винтовых транспортеров.
Автомобильный транспорт. Применяется для перевозки
обезвоженных осадков на иловые площадки, накопители или заво184

ды сжигания осадков. Необходимость в данном виде транспорта
обусловлена тем, что иловые площадки, исходя из природоохранных требований, удалены от городской черты. Для транспортировки осадка используются автомобили КамАЗ с нарощенными и уплотненными бортами.
Трубопроводный транспорт. Применяется как внутри цехов
обработки осадков, так и за их пределами, когда иловые площадки
находятся на незначительном удалении от них. Для этого эффективно эксплуатируются высоконапорные насосные установки, развивающие давление до 12 МПа. К ним относятся установки KSP
фирмы «Schwing» (Германия), установки SHK фирмы «Аbel» (Германия). Все они (рис. 11.34) имеют ряд общих элементов: проточную часть, расходный бункер, горизонтальный спаренный шнековый питатель, гидравлический привод с силовой станцией. Проточные части установок (рис. 11.35) KSP и SHK не имеют существенных отличий. Недостатком указанных установок является высокая
стоимость (соизмерима со стоимостью центрифуг) и высокая потребляемая мощность.

Рис. 11.34. Общий вид установки KSP фирмы «Schwing»

Винтовые транспортеры. В большей мере отвечают требованиям энергоэффективности, предъявляемым к внутрицеховому
транспорту. Они могут использоваться для транспортировки осадка
внутри цехов не только на короткие расстояния (рис. 11.37), но и на
значительные расстояния по горизонтали в одну ступень. Верти185

кальная транспортировка также не является проблемой (рис. 11.38).
В Европе существуют установки, в которых кек с центрипресса
транспортируется вертикально в 15-метровую бункерную систему.
При этом конвейер может проектироваться тем же способом, что
и трубопровод, а установленная электрическая мощность для
70-метрового транспортера кека в бункер высотой 15 метров будет
составлять всего 15 кВт.
2

Как правило, при транспортировке осадков применяются комплексные решения (рис. 11.36). Примером комплексного применения
всех видов транспорта обезвоженных осадков является система водоотведения Санкт-Петербурга [18], включающая бассейны водоотведения города, его пригородов и полигоны захоронения шламов.

3

1
6
10

8 9

11

5

7
Рис. 11.36. Область применения трубопроводного транспорта и поршневых
высоконапорных установок при обработке осадков сточных вод

16

15

14

13

12

Рис. 11.35. Конструкция проточной части высоконапорных насосов для перекачки осадков сточных вод:
1 – гидроцилиндр напорного клапана; 2 – тарелки клапанов; 3 – седла клапанов; 4 – обратные клапаны; 5 – гидрозамки; 6 – гидроцилиндр всасывающего
клапана; 7 – напорный патрубок; 8 – направляющая втулка и уплотнение
штока клапана; 9 – шток клапана; 10 – рабочий поршень; 11 – шток главного
гидроцилиндра; 12 – приводной гидроцилиндр; 13 – водяная камера; 14 – рабочий цилиндр; 15 – клапанная коробка; 16 – напорный коллектор

Примером применения винтовых транспортеров на очистных
сооружениях Санкт-Петербурга являются цехи обработки осадков
Кронштадской, Пушкинской, Колпинской и Петродворцовой
станцй аэраций. В качестве примера на рис. 11.39 показана технологическая схема обработки осадков в Петродворце, на рис. 11.40 –
общий вид транспортной системы, на рис. 11.41 – конструктивные
особенности узла выгрузки.
186

Рис. 11.37. Примеры применения винтовых транспортеров при погрузке
осадков сточных вод в автотранспорт
187

В пригородах в основном применяются системы с винтовыми
транспортерами, при помощи которых обезвоженные осадки подаются в бункеры временного хранения.
На крупных станциях, в состав которых включены заводы сжигания осадков, в основном применяется трубопроводный транспорт для
подачи обезвоженных осадков в печи.
При помощи автомобильного транспорта обеспечивается доставка
кека из пригородов на заводы сжигания, а также вывоз на полигоны
захоронения золы, образующейся при сжигании осадков. Для предотвращения распыления, золу увлажняют.

188

Рис. 11.39. Технологическая схема обработки осадков в Петродворце:
1 – резервуар осадков; 2 – мацератор; 3 – насосы-дозаторы шлама; 4 – привод насоса-дозатора; 5 – подающий
трубопровод осадков; 6 – насос-дозатор флокулянта; 7 – привод насоса-дозатора; 8 – всасывающие трубопроводы;
9 – растворные емкости флокулянта; 10 – напорный трубопровод флокулянта; 11 – центрифуга; 12 – шнек; 13 – барабан;
14 – дренажные трубопроводы; 15–18 – винтовые транспортеры; 19 – бункер-накопитель; 20 – выгрузочное днище;
21 – выгрузочный проем; 22 – перекрывающее устройство; 23 – пневмопривод перекрывающего устройства;
24 – шнековые транспортеры; 25 – приводы шнековых транспортеров

Рис. 11.38. Примеры применения винтовых транспортеров внутри цехов
обработки осадков

189

Рекомендуемая литература
Законодательные материалы
1. Российская Федерация. Закон от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ «Об охране
окружающей среды».
2. Российская Федерация. Закон от 03.06.2006 г. № 74-ФЗ «Водный
кодекс Российской Федерации».
3. Российская Федерация. Закон от 20.12.2004 г. № 166-ФЗ «О рыболовстве и сохранении водных биологических ресурсов».
4. Российская Федерация. Закон от 07.12.2011 г. № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении».

Рис. 11.40. Общий вид транспортной системы:
1 – бункеры; 2 – выгрузочные днища; 3 – наклонный спиральный конвейер

2 3 4

1
6

8

6

234 5

9

5

7

Рис. 11.41. Конструктивные особенности узла выгрузки:
1 – бункеры накопитель; 2 – шнеки; 3 – спираль; 4 – вал шнеков; 5 – лопатки;
6 – независимые приводы шнеков; 7 – выгрузочный проем;
8 –перекрывающие устройства; 9 – пневмопривод
перекрывающего устройства

190

Нормативно-правовые документы
5. Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ
и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Минприроды
РФ, 17.12.2007 г.
6. СанПиН 2.1.5.980–00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод». Санитарные правила и нормы. – М., 2000. – 23 с.
7. Правила холодного водоснабжения и водоотведения. Постановление Правительства РФ от 29.07.2013 г. № 644.
8. СНиП II-32–74. Канализация. Наружные сети и сооружения. – М.:
Стройиздат, 1975. – 88 с.
9. СНиП 2.04.03–85. Канализация. Наружные сети и сооружения. – М.:
Стройиздат, 1985. – 72 с.
10. Свод Правил СП 31.1330.2012. Водоснабжение. Наружные сети
и сооружения. – М.: 2012.
11. Свод Правил СП 32.13330.2012. Канализация. Наружные сети и сооружения. – М.: 2012.
Научно-технические издания
12. Воронов Ю. В. Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для
вузов / Ю. В. Воронов, С. В. Яковлев. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. – 704 с.
13. Голубовская Э. К. Биологические основы очистки воды / Э. К. Голубовская. – М.: Изд-во «Высшая школа», 1978. – 272 с.
14. Гюнтер Л. И. Метантенки / Л. И. Гюнтер, Л. Л. Гольдфарб. –
Стройиздат. – М.: 1991. – 126 с.
15. Ильин Ю. А. Определение показателей экологической безопасности
канализационных очистных сооружений / Ю. А. Ильин, В. С. Игнатчик,
С. Ю. Игнатчик // Водоснабжение и санитарная техника. – 2013. – № 3. –
Ч. 1. – С. 11–18.
16. Игнатчик С. Ю. Методика поверочных расчетов комплекса очистных сооружений для биологической очистки сточных вод с глубоким удале-

191

нием азота и фосфора / С. Ю. Игнатчик, Н. В. Игнатчик // Водоочистка. –
2014. – № 4. – С. 51–58.
17. Пат. 2194193 Российская Федерация, МПК F04D7/04, F04D15/00.
Способ откачки осадков из первичных отстойников / Кармазинов Ф. В., Гумен С. Г., Пробирский М. Д., Трухин Ю. А., Игнатчик В. С., Ильин Ю. А.,
Игнатчик С. Ю., Большеменников Я. А.; заявл. опубл. 10.12.2002.
18. Пат. 2438984 Российская Федерация, МПК C02F1/00 (2006.01).
Система водоотведения мегаполиса / Кармазинов Ф. В., Трухин Ю. А., Пробирский М. Д., Куприянов А. Г., Ильин Ю. А., Игнатчик В. С., Игнатчик С. Ю,
Шумов П. И., заявл. опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1.
19. Пат. 2440306 Российская Федерация, МПК C02F3/30 (2006.01),
C02F101/16 (2006.01), C02F103/04 (2006.01). Способ обеспечения надежности очистки сточных вод от соединений азота и фосфора / Васильев Б. В.,
Трухин Ю. А., Рублевская О. Н. Ильин Ю. А., Игнатчик В. С., Игнатчик С. Ю.;
заявл. опубл. 20.01.2012, Бюл. № 2.
20. Канализация населенных мест и промышленных предприятий:
справ. проектировщика / под ред. В. Н. Самохина. – М.: Стройиздат, 1981. –
638 с.
21. Отведение и очистка сточных вод Санкт-Петербурга / Ф. В. Кармазинов [и др.]. – СПб.: Изд-во «Новый журнал», 2002. – 683 с.
22. Водоснабжение и водоотведение в Санкт-Петербурге / Ф. В. Кармазинов [и др.]. – СПб.: Изд-во «Новый журнал», 2008. – 462 с.
23. Реконструкция цеха обработки осадков канализационных очистных
сооружений г. Петродворца / Ф. В. Кармазинов [и др.] // Водоснабжение
и санитарная техника. – 2013. – № 12. – С. 38–45.
24. Лукиных А. А. Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле акад. Н. Н. Павловского / А. А. Лукиных,
Н. А. Лукиных. – Изд. 4-е, доп. – М.: Стройиздат, 1974. – 156 с.
25. Мишуков Б. Г. Удаление азота и фосфора на очистных сооружениях
городской канализации. Приложение к журналу «Вода и экология. Проблемы
и решения» / Б. Г. Мишуков, Е. А. Соловьева. – СПб., 2004. – 72 с.
26. Мишуков Б. Г. Расчет очистных сооружений городской канализации: учеб. пособие / Б. Г. Мишуков, Е. А. Соловьева, Ю. С. Захарова;
СПбГАСУ. – СПб., 2005. – 175 с.
27. Мишуков Б. Г. Расчет и подбор аэрационного и перемешивающего
оборудования для биологической очистки сточных вод: учеб. пособие /
Б. Г. Мишуков, Е. А. Соловьева; СПбГАСУ. – СПб.: 2007. – 40 с.
28. Мишуков Б. Г. Технология удаления азота и фосфора в процессах
очистки сточных вод. Приложение к журналу «Вода: технология и экология» /
Б. Г. Мишуков, Е. А. Соловьева, В. А. Керов, Л. Н. Зверева. – СПб., 2009. – 144 с.
29. Соловьева Е. А. Очистка сточных вод от азота и фосфора / Е. А. Соловьева. – СПб.: «Водопроект – Гипрокоммунводоканал. Санкт-Петербург»,
2008. – 100 с.
30. Соловьева Е. А. Удаление азота и фосфора из городских сточных
вод. Технологии удаления азота и фосфора в комплексе по очистке сточных

вод и обработке осадка / Е. А. Соловьева. Изд. LAP LAMBERT Academic
Publishing (ISBN-13:978-3-8465-0130-6). Германия, 2011. – 292 с.
31. Феофанов Ю. А. Биореакторы с неподвижной и подвижной загрузкой для очистки воды / Ю. А. Феофанов; СПбГАСУ. – СПб., 2012. – 203 с.
32. Технический справочник по обработке воды: в 2 т.: пер. с фр. –
СПб.: Новый журнал, 2007. – Т. 1. – 774 с.
33. Технический справочник по обработке воды: в 2 т.: пер. с фр. –
СПб.: Новый журнал, 2007. – Т. 2. – 1696 с.
34. Хенце М. Очистка сточных вод / М. Хенце П. Армоэс [и др.]. – М.:
Мир, 2004. – 480 с.
35. Яковлев С. В. Механическая очистка сточных вод / С. В. Яковлев,
В. И. Калицун. – М.: Стройиздат, 1972. – 199 с.
36. Яковлев С. В. Биохимические процессы в очистке сточных вод /
С. В. Яковлев, Т. А. Карюхина. – М.: Стройиздат, 1980. – 200 с.

192

193

Оглавление
Лекция 1. Расход и состав сточных вод………………………………
1.1. Расход воды в системах водопотребления и водоотведения…
1.2. Состав сточных вод…………………………………………….
1.2.1. Показатели состава сточных вод……………………….
1.2.2. ХПК и БПК……………………………………………….
1.2.3. Масса поступающих загрязнений………………………
1.3. Показатели качества очищенной воды………………………..
1.4. Правила сброса сточных вод в городские сети
водоотведения……………………………………………………….
Лекция 2. Решетки и сита………………………………………………
2.1. Устройство аппаратов………………………………………….
2.2. Расчет решеток с механизированной очисткой………………
2.3. Расчет ступенчатых решеток…………………………………..
Лекция 3. Песколовки…………………………………………………...
3.1. Назначение песколовок…………………………………………
3.2. Конструкции песколовок……………………………………….
3.3. Расчет песколовок………………………………………………
3.4. Обработка песка………………………………………………...
Лекция 4. Первичные отстойники……………………………………....
4.1. Устройство горизонтальных, радиальных и вертикальных
отстойников…………………………………………………………
4.2. Расчет отстойников……………………………………………..
4.2.1. Метод расчета отстойников на основе кинетики
осветления воды в покоящейся жидкости…………………….
4.2.2. Особенности расчета по результатам эксплуатации
отстойников…………………………………………………….
4.3. Определение состава осветленной воды………………………
4.4. Подбраживание осадка сточных вод…………………………..
Лекция 5. Биологическая очистка без учета нитрификации
и денитрификации………………………………………………………..
5.1. Биологические фильтры………………………………………..
5.1.1. Описание процессов, происходящих при очистке
сточных вод…………………………………………………….
5.1.2. Типы биофильтров………………………………………
5.2. Расчет биологических фильтров……………………………….
5.2.1. Биофильтры с объемной загрузкой из естественных
материалов………………………………………………………
5.2.2. Расчет высоконагружаемых биофильтров……………..
5.2.3. Математическая модель биофильтров…………………
194

3
3
11
11
12
15
16
18
22
22
32
34
36
36
37
43
45
48
48
60
60
65
68
68
71
71
71
75
77

5.3. Аэротенки……………………………………………………….
5.3.1. Процесс биохимической очистки сточных вод
в аэротенках…………………………………………………….
5.3.2. Технологические схемы работы аэротенков…………..
5.3.3. Расчет аэротенков……………………………………….
Лекция 6. Биологическое и реагентное удаление азота и фосфора…..
6.1. Биологическое удаление азота и фосфора…………………….
6.2. Реагентное удаление фосфора…………………………………
6.3. Формирование схем очистки сточных вод……………………
6.4. Баланс азота и фосфора в ходе очистки……………………….
6.5. Определение объема биоблока…………………………………
Лекция 7. Иммобилизованная биомасса………………………………..
Лекция 8. Аэраторы и мешалки…………………………………………
8.1. Пневматические аэраторы……………………………………...
8.2. Потребление кислорода и расчет аэраторов ………………….
8.3. Типы пневматических аэраторов………………………………
8.4. Перемешивание иловой смеси а анаэробных и аноксидных
отсеках……………………………………………………………….
Лекция 9. Вторичные отстойники………………………………………
9.1. Разделение иловой смеси………………………………………
9.2. Эксплуатационная модель работы вторичных отстойников…
9.3. Конструкции вторичных отстойников………………………...
Лекция 10. Доочистка и обеззараживание сточных вод………………
10.1. Фильтрация очищенной воды………………………………..
10.2. Мембранная очистка воды……………………………………
10.3. Обеззараживание очищенной воды………………………….
Лекция 11. Обработка осадков………………………………………….
11.1. Состав и свойства осадков……………………………………
11.2. Обезвреживание осадков……………………………………..
11.3. Уплотнение и сгущение осадков …………………………….
11.4. Иловые площадки……………………………………………..
11.5. Приготовление и дозирование флокулянтов………………..
11.6. Центрифуги……………………………………………………
11.7. Ленточные фильтр-прессы……………………………………
11.8. Камерные фильтр-прессы…………………………………….
11.9. Компостирование осадков……………………………………
11.10. Сжигание осадка……………………………………………..
11.11. Транспортировка обезвоженных осадков…………………..
Рекомендуемая литература……………………………………………….

77
78
79
195

80
80
82
85
92
92
97
101
104
106
109
111
111
116
119
124
128
128
132
134
137
137
142
144
146
146
148
154
158
161
163
174
177
179
183
184
191

Учебное издание
Мишуков Борис Григорьевич,
Игнатчик Светлана Юрьевна,
Игнатчик Виктор Сергеевич
ОЧИСТКА ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД
Учебное пособие
Редактор О. Д. Камнева
Корректор О. Д. Камнева
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 18.12.14. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 11,4. Тираж 100 экз. Заказ 116. «С» 72.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, СПб., 2-я Красноармейская ул., д. 5.

196