Chapitre 4 - GCI Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2011

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1 Chapitre 4 - La décantation GCI Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2011 Hubert Cabana,

2 Hubert Cabana, 2011 Kawamura,

3 Contenu Théorie de la sédimentation Type I Type II Design des bassins de sédimentation Types de bassins Critères de conception Boues Quantité produite Système de raclage des boues Hubert Cabana,

4 La sédimentation La décantation est une opération unitaire par laquelle une suspension chargée en particules insolubles est séparées en 2 parties : un liquide clarifié (peu chargé en MES); des boues. Principe de base : vitesse terminale de chute libre; Impact de la concentration en MES, des caractéristiques des particules générées Hubert Cabana,

5 Types de sédimentations Type I : sédimentation discrète; Solution à faible concentration; Sédimentation individuelle des particules; Type II : sédimentation floculante; Solution à concentration élevée; Agglomération des particules lors de la sédimentation; Hubert Cabana,

6 Types de sédimentations Type III : sédimentation en zone Solution à concentration très élevée; Sédimentation d une masse agglomérée; Type IV : sédimentation compressible Solution à concentration tellement élevée que; La sédimentation ne peut avoir lieu qu en compressant la masse. Hubert Cabana,

7 Types de sédimentations Le design du décanteur est fonction du comportement des particules à éliminer; En épuration des eaux potables, nous rencontrons des sédimentations de Type I et II. Hubert Cabana,

8 Sédimentation discrète Accélération verticale de la particule, jusqu à ce que la force de trainée soit égale à la force gravitationnelle; Hubert Cabana,

9 Forces dynamiques F D est issue du mouvement relatif de l objet et du fluide (contrainte de cisaillement). statiques F s est issue du gradient de pression externe (F p ) et de la gravité (F g ). F F D + F = g Hubert Cabana,

10 Vitesse terminale de chute libre Si la particule possède une densité homogène, la masse de la particule est V p ρ p, alors on arrive à: u t = ( ) ρ ρ D p f p 4 g 3C d ρ f Hubert Cabana,

11 Coefficient de traînée Le coefficient de traînée, tout comme le facteur de friction dans les tuyaux, dépendra du Nombre de Reynolds Re = Du 0 ρ 0 µ Comme nous l avons vu précédemment, D est le diamètre de l objet ou une longueur caractéristique, tandis que ρ et µ sont des propriétés du fluide. Hubert Cabana,

12 Coefficient de traînée Stokes Re < 1 : Cd = 24Φ Intermédiaire 1 < Re < 500 : C = 18.5 Φ < d Newton Re Re 0.6 Pour des objets sphériques 500 < Re < : = 0. 44Φ Trans-critique C d Re > : Cd = 0. 1Φ Re p = D p u o ρ / µ Hubert Cabana,

13 Pourquoi ces différents coefficients? Au fur et à mesure que la vitesse augmente, la force de traînée de sillage (wake drag) devient plus importante. Les lignes de courant se mêlent à l arrière de l objet puis, avec un nombre de Reynolds élevé, elles se séparent complètement en un sillage. Hubert Cabana,

14 Vitesse de sédimentation La vitesse de sédimentation (vitesse terminale) des petites particules est souvent assez lente de telle sorte que le Nombre de Reynolds sera inférieur à l unité (C d = 24/Re). u t ( ρ ρ ) 2 Dp p f g = Re < 1 18µ µ Entre 1000<Re< : C d = 0.44 (Loi de Newton) u t gd ( ρ ρ ) p p f D p t f =. 75 ρ f F = 0.055π D u ρ Hubert Cabana,

15 Critère de régime de sédimentation Le nombre de Reynolds n est pas le critère idéal pour déterminer le régime de sédimentation. C est pourquoi on a dérivé une valeur K, qui dépend uniquement des paramètres physiques: = ( ) 1 3 ρ ρ gρ 2 f p f µ K D p 2 K < 2.62 Loi de Stokes 2.62 < K < 43.5 Intermédiaire 43.5 < K < Loi de Newton Hubert Cabana,

16 En résumé Sphére dans un fluide newtonien Pour : C D Vitesse terminale Re<1 K< 2.62 Re 1<Re< <K< <Re< <K< ( ρ ρ ) Re p f 18µ gd D ( ρ ρ ) 2 p g p p f µ ρ gdp( ρ p ρ f ) 1.75 Re> gdp( ρ ρ ) 3.65 ρ ρ f p f f Hubert Cabana,

17 Coefficient de traînée pour des particules non-sphériques Sphéricité Φ = Ratio Surface sphère / surface de la particule Hubert Cabana,

18 Comportement des particules dans un bassin idéal Hubert Cabana,

19 Comportement des particules dans un bassin idéal Qasim et al., 2000 Où, W = largeur du bassin; H 0 = hauteur d eau dans le bassin; t 0 = temps de séjour théorique (V/Q); H i = position d une particule ayant une vitesse de chute v i au temps t i. Hubert Cabana,

20 Collecte des particules Les particules présentant u t supérieure à une vitesse dictée par la géométrie du bassin (v t ) seront éliminée à 100%. Les particules pour lesquelles H i v i = < t0 seront partiellement éliminées u t v = t v t t = Q WH H / t 0 0 Hubert Cabana,

21 Collecte des particules De façon à déterminer l efficacité de sédimentation réelle pour un temps de séjour donné (t 0 ), il est impératif de considérer l ensemble des particules présentes dans l eau à traiter : 1. Essais en cuvé de sédimentation; 2. Détermination de la granulométrie des particules à séparer. Hubert Cabana,

22 Essais de sédimentation Prélèvement d échantillons à des intervalles de temps définis (30s 2 min); Test durant de 30 min 2 heures; Détermine la masse restant dans le surnageant; H 0 Hubert Cabana,

23 Taux de débordement La vitesse terminale de chute libre peut être associée au taux de débordement selon : u = t Q A Où A = surface en plan du décanteur (m 2 ) Pour des décantations de Type I : Q/A = m 3 m -2 j -1 Hubert Cabana,

24 Sédimentation de type II Au cours de la chute des particules, il y a coalescence des particules; Formation de particules plus lourdes Augmentation de la vitesse de sédimentation Nécessaire d obtenir des données en laboratoire pour caractériser ce type de sédimentation. Hubert Cabana,

25 Sédimentation de type II Tests en cuvé 1. Remplir le tube 2. Soutirer des échantillons à chaque port d échantillonnage; 3. Déterminer la [MES]; 4. Déterminer le % élimination; Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

26 Sédimentation de type II batch tests Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

27 Sédimentation de type II batch tests 4. Tracer l enlèvement des MES, F(t, position); 5. Tracer des lignes d isoélimination (même pourcentage d élimination); 6. Tracer une ligne verticale à chaque temps où une ligne d isoélimination coupe la profondeur de la colonne. Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

28 Sédimentation de type II batch tests Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

29 Sédimentation de type II batch tests 7. Le % d élimination des MES pour un temps de séjour défini et une profondeur déterminée (h 0 ) est déterminé selon : %élimination h 1 h h n 1 =... h0 h0 h0 2 n 1 ( 100 R1 ) + ( R1 R2 ) + + ( Rn 1 Rn ) + Rn Où, h 1,2, n-1 = Distance entre le haut de la colonne et le point milieu de 2 lignes consécutive d isoélimination; h 0 = Hauteur d eau désirée dans le décanteur ( hauteur de la colonne); R 1, 2, n-1 : % d élimination des courbes d isoélimination rencontrées pour un temps de séjour donné. Hubert Cabana,

30 Sédimentation de type II batch tests Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

31 Sédimentation de type II batch tests 8. Déterminer le % d élimination pour différents temps de séjour; Déterminer la vitesse (H 0 /temps de séjour); Déterminer le taux de débordement correspondant (m 3 m -2 j -1 ) (vitesse*m 2 /m 2 *1440 min/jour) Hubert Cabana,

32 Sédimentation de type II batch tests Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

33 Sédimentation de type II batch tests 9. Tracer % d élimination = F(temps de rétention) et F(du taux de débordement); 10. Lire le taux de débordement et le temps de séjour permettant d atteindre le «d élimination souhaité; Hubert Cabana,

34 Sédimentation de type II batch tests Pour atteindre 80% d élimination (pour une hauteur de 3.5 m) il faut donc : un temps de séjour minimal de 55 minutes et un taux de débordement de 97 m 3 m -2 j -1 Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

35 Sédimentation de type II batch tests Les résultats obtenus par des essais en «batch» représentent des conditions idéales de sédimentation. Il est impératif de corriger ces valeurs avec des facteurs de sécurité pour établir les critères de design : Paramètre de design Taux de débordement Temps de séjour Facteur de correction Donc, les paramètres de design retenus seront (en utilisant 0.7 et 1.6 comme facteurs de correction) : -Taux de débordement = 68 m 3 m -2 j -1 -Temps de séjour = 88 min Hubert Cabana,

36 Design des bassins de décantation Hubert Cabana,

37 Types de bassins traditionnels AWWA, 1990 Hubert Cabana,

38 Bassins traditionnels Rectangulaires Avantages Écoulement idéal rencontré dans ces bassins (diminution des courants préférentiels); Réponds bien à la variation de débit; Inconvénients / limitations Nécessite un design approprié des inlets/outets; Nécessite des bassins de floculation séparés. Facile à opérer; Peut être utilisé pour insérer des modules de sédimentation à haute efficacité Hubert Cabana,

39 Bassins traditionnels à écoulement radial Avantages Inconvénients Géométrie compacte et économique; Boues facilement récupérables; Grande efficacité d élimination Court-circuitage; Tolèrent mal les grandes variations; Opération plus contraignante; La dimension des bassins est limitée Hubert Cabana,

40 Critères de conception À Qmax Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

41 Critères de conception Kawamura, 2000 Hubert Cabana,

42 Critères de conception Décanteur rectangulaire avec écoulement horizontal Nombre : > 2 Profondeur : 3-5 m; Vitesse moyenne : m/min; Temps de séjour : h Taux de débordement : m 3 m -2 h -1 Ratio longueur/largeur : > 4/1 Taux de déversement dans le déversoir: 9-13 m 3 m -1 h -1 Kawamura, 2000 Hubert Cabana,

43 Amélioration des procédés de sédimentation Décanteur laminaire Diminue la turbulence, Diminue la distance à parcourir; Diminution du court-circuitage Hubert Cabana,

44 Décanteur laminaire Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

45 Critères de conception Décanteur rectangulaire avec écoulement horizontal Nombre : > 2 Profondeur : m; Vitesse maximale dans les tubes: 0.15 m/min; Temps de séjour minimale dans le module: 4 min Taux de débordement : m 3 m -2 h -1 Taux de déversement dans le déversoir: m 3 m -1 h -1 Kawamura, 2000 Hubert Cabana,

46 Amélioration des procédés de sédimentation Décanteur à contact des solides Zone de boues en suspension; Contact entre les particules favorise la rétention des flocs; Hubert Cabana, AWWA, 1990

47 Design de l entrée / sortie d eau L entrée d eau Critère de design primordiale; Distribution du débit Distribution des vitesses Les orifices doivent être distribuées uniformément sur la chicane; Il est nécessaire d avoir le plus grand nombre possible d orifices; Perte de charge à travers les orifices doit être < mm de façon à distribuer uniformément le débit; Les orifices doivent présenter un diamètre uniforme ( cm); Le débit doit être dirigé vers la sortie; Hubert Cabana,

48 Design de l entrée / sortie d eau La sortie d eau Système constitué d un déversoir et d une goulotte Hubert Cabana,

49 La sortie d eau Hubert Cabana, Qasim et al., 2000

50 La sortie d eau Hubert Cabana, Qasim et al., 2000

51 La collecte des boues Hubert Cabana,

52 La boue Typiquement, la variation de la turbidité est un indicateur de l élimination des MES; Typiquement MES:NTU ~ En plus des MES, il faut considérer la production d hydroxydes métalliques Fe ( + CO 2 SO4 ) 3 + 3Ca( HCO3 ) 2 2Fe( OH ) 3( s) + 3CaSO4 6 2 Hubert Cabana,

53 Quantité de boue produite Hubert Cabana, Qasim et al., 2000

54 Quantité maximale de boues produite par coagulation avec l alun Le contenu en matières solides dans les boues varie entre 0.5 et 1.5 %; La densité des boues est légèrement supérieure à celle de l eau (ρ relative ~ 1.02) V s = M s ρ fractiondematièressolides ρ relative, s eau Hubert Cabana,

55 Élimination des MES Typiquement les bassins de décantation permettent une élimination de 80-95% des MES; Il s avère donc nécessaire d éliminer les boues générées; 3 types de collecteurs de boues : À chaîne et raclettes À pont roulant; Circulaire. Hubert Cabana,

56 Types de collecteur de boues À chaîne et raclettes Équipement traditionnellement utilisé; Chaîne en acier (diamètre des anneaux ~ 15 cm); Raclettes en bois à tous les 3m; Longueur ~ 6m Vitesse ~ 0.6 m/min Hubert Cabana, AWWA, 1990

57 À chaîne et raclettes Hubert Cabana, AWWA, 1990

58 À pont roulant d=181&itemid=183 Hubert Cabana,

59 À pont roulant La raclette a une hauteur de m; Vitesse ~ 0.6 m/min Peut être relevée en cours d opération pour maintenance; Peut s ajuster à la pente du bassin. Hubert Cabana,

60 Circulaire Hubert Cabana, 2011 AWWA,

61 Circulaire Peut être entraîné par le centre ou la périphérie; Collecte des boues au centre; Hubert Cabana,

62 Autres collecteurs Hubert Cabana, AWWA, 1990

63 Hubert Cabana, Qasim et al., 2000

64 Pompage des boues Vitesse minimale = 0.6 m/s; Diamètre minimal de la conduite : 20 cm; Vidange intermittente des bassins est nécessaire. Hubert Cabana,

65 En résumé Hubert Cabana,

66 Conception Informations à obtenir : Q moyen et Q max ; Temps de séjour et taux de débordement choisis (provient d essais en lab); Configuration du déversoir et taux de débordement; Dosages nécessaires en coagulant et floculant; Qualité de l eau à l entrée et à la sortie; Hubert Cabana,

67 Critères de conception typiques Coagulation Temps de séjour : 2-8 heures Taux de débordement : m 3 m -2 j -1 Taux de débordement au déversoir : m 3 m -1 j -1 Adoucissement Temps de séjour : 1-6 heures Taux de débordement : m 3 m -2 j -1 Taux de débordement au déversoir : m 3 m -1 j -1 Hubert Cabana,

68 Lectures et exercices suggérées Qasim, Edward et Zhu, (2000). Water Works Engineering. Planning, Design & Operation. Chapitre 9 Exercices suggérés : 9.2; 9.4 et 9.14 Hubert Cabana,

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