Введение

Осадочные пруды, отстойные бассейны или отстойные пруды – это земляные или бетонные сооружения, использующие процесс осаждения для удаления взвешенных веществ и снижения мутности сточных вод. Эти пруды применяются для контроля загрязнения воды в различных отраслях промышленности, таких как сельское хозяйство, аквакультура и горнодобывающая промышленность. Мутность – это оптическое свойство воды, вызванное рассеянием света частицами, взвешенными в воде. Хотя мутность часто прямо пропорциональна массе или объему взвешенных веществ, взаимосвязь осложняется различиями в размере, форме, показателе преломления и удельном весе этих частиц. Отстойные пруды могут быть неэффективны для снижения мутности, вызванной мелкими частицами с достаточно низкой удельной плотностью, чтобы оставаться во взвешенном состоянии под действием броуновского движения.

Приложения

Осадочные бассейны используются для разделения и удаления отходов (т.е. реализации стратегий управления твердыми отходами) определенного размера и количества в различных областях, таких как аквакультура, горнодобывающая промышленность, молочное животноводство, пищевая промышленность, производство алкоголя и виноделие. Для поддержания эффективной работы осадочных бассейнов требуется их регулярная очистка и удаление донных отложений.

Аквакультура

Все материалы, не удаленные из системы во время сбора урожая, классифицируются как отходы, включая несъеденные корма, экскременты, химические вещества и лекарственные препараты, мертвую и погибающую рыбу, сбежавшую рыбу и патогены. Осадочные бассейны в поле – это простые пруды, вырытые ниже по течению от фермы для оптимального и эффективного удаления взвешенных веществ, получения осветленной воды и накопления и уплотнения осадка до минимального объема. Если происходит нарушение какой-либо из этих функций, это может существенно повлиять на работу пруда и снизить эффективность процесса.

Добыча полезных ископаемых

Сточные воды, образующиеся в горнодобывающей промышленности, приводят к повышению кислотности, содержанию взвешенных веществ и растворенных ионов тяжелых металлов в водной среде, вызывая экологические проблемы для живых организмов и изменение цвета принимающих вод. Применение отстойных бассейнов для очистки сточных вод в горнодобывающем районе Coeur d'Alene на севере штата Айдахо (США), всемирно известном производством свинца, цинка и серебра, значительно улучшило качество воды, сбрасываемой после добычи полезных ископаемых.

Отходы молока

Снижение скорости потока для ограничения транспортировки твердых веществ вместе с быстродвижущейся жидкостью позволяет проводить разделение. Примерно 35–60% твердых веществ удаляется из разбавленной жидкой суспензии при времени пребывания 10 минут, при этом типичное время пребывания составляет от 30 до 60 минут. Из-за недостаточного учета критических параметров проектирования большинство построенных отстойников были переразмерены и имели низкую эффективность. Отстойники, используемые в молочном производстве, снижают нагрузку питательных веществ на вегетативную фильтрующую полосу от поверхностного стока с животноводческих площадок, тем самым уменьшая необходимый объем лагуны для нового объекта. Кроме того, отстойники полезны для удаления нежелательных твердых материалов, таких как сено, солома и перья, из потока отходов перед поступлением в лагуну, что способствует снижению запаха и предотвращению образования корки на поверхности лагуны. Для удержания удаленных плавающих твердых веществ может использоваться перегородка. Существует два типа отстойников, различающихся методом удаления твердых веществ. В одном типе твердые вещества удаляются механически (после стекания свободной воды), обычно с помощью фронтального или вилочного погрузчика. Другой тип использует гидравлическое (насосное) удаление твердых веществ. Обычно откачку начинают, когда отстойник заполнен твердыми веществами наполовину, а остальная часть – водой. Для смешивания жидкости и твердых веществ требуется интенсивное перемешивание, предпочтительно с помощью пропеллерных мешалок или насосов с перемешивающими соплами.

Преимущества и ограничения по сравнению с конкурентными процессами

Осадочные бассейны предназначены для удержания воды в течение достаточного времени, чтобы взвешенные вещества могли осесть, обеспечивая получение воды высокой чистоты на выходе и возможность корректировки pH. Другие применяемые процессы – загустители, отстойники, гидроциклоны и мембранная фильтрация – являются широко используемыми технологиями в данной области. По сравнению с ними, осадочные бассейны имеют более простую и экономичную конструкцию, содержат меньше движущихся частей и требуют меньшего обслуживания, несмотря на необходимость очистки и удаления отложений из спокойных зон не реже одного раза в две недели. Однако осадочные бассейны могут стать источником новых видов загрязнения воды, особенно при использовании воды из скважины. В бассейн могут попадать переносимые ветром загрязнения, а при длительном удержании воды в нем разрастаются водоросли, что усложняет фильтрацию. Осадочные пруды также могут быть неэффективны для снижения мутности, вызванной мелкими частицами с низкой удельной плотностью, которые остаются во взвешенном состоянии из-за броуновского движения. Как правило, они способны удалять частицы размером от песка (2 мм в диаметре) до ила (0,002 мм в диаметре).

Относительно конструкции

Сточные воды поступают в отстойник, и очень мелкие частицы в воде отделяются под действием силы тяжести. Вода должна находиться в отстойнике достаточно долго для удаления частиц заданного размера. Для удаления более мелких частиц требуется больше времени, а следовательно, и большие объемы отстойников. В некоторых отстойниках может добавляться флокулянт, чтобы помочь мелким частицам слипаться и образовывать более крупные агрегаты. Закон Стокса можно использовать для расчета размеров отстойника, необходимых для удаления частиц заданного размера. Закон Стокса определяет скорость осаждения, которая определяет эффективную глубину отстойника; таким образом, удаление твердых веществ зависит от эффективной площади поверхности отстойника, в то время как глубина отстойника остается важной для хранения осажденных веществ. Перевод необходимого времени осаждения и площади поверхности в геометрию отстойника требует учета эффекта короткого замыкания потока и турбулентности, вызванной ветром, размывом дна или конструкцией входа и выпуска. Геометрия отстойника важна, поскольку эффективное время осаждения в отстойнике – это время, в течение которого объем воды находится в нетурбулентных условиях перед достижением выпуска. Медианное время всегда меньше среднего времени, рассчитанного путем деления доступного объема на прогнозируемый расход. Медианное время прохождения через короткий и широкий отстойник может быть значительно меньше, чем медианное время прохождения через длинный и узкий отстойник. Отстойники с выпуском вблизи входной зоны могут содержать большой объем застойной воды, в то время как поступающая вода быстро достигает выпуска до начала осаждения. Эффективная площадь поверхности для осаждения редко простирается перпендикулярно более чем на десятую часть расстояния от линии потока от входа в отстойник до выпуска, если не установлены рассекатели потока. Эффективная площадь поверхности и геометрия могут изменяться по мере накопления осадка, заполняющего часть первоначального объема. Короткие каналы могут быстро образовываться в местах скопления тяжелого осадка вблизи входа в отстойник. Поток через мелководные участки отстойника может вызывать турбулентность, поднимающую осадок со дна. Для предотвращения размыва дна рекомендуется минимальная глубина отстойника не менее двух футов.