PARTIE 2 : LA CLARIFICATION PROCESSUS ELEMENTAIRES DU GENIE PHYSICO-CHIMIQUE DU TRAITEMENT DE L EAU

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1 PARTIE 2 : LA CLARIFICATION PROCESSUS ELEMENTAIRES DU GENIE PHYSICO-CHIMIQUE DU TRAITEMENT DE L EAU CHAPITRE 2.1 : LA COAGULATION- FLOCULATION-DECANTATION- FLOTTATION Introduction : La couleur et la turbidité d une eau de surface sont liées à la présence de particules de très faibles diamètres appelées colloïdes. Suite au procédé de coagulation floculation, on obtient un agglomérat de colloïdes appelés flocs, pouvant être facilement éliminés par décantation, flottation ou simple filtration (Chapitre 2.2) Photo 1 : COAGULATION/FLOCULATION/DECANTATION (ACTIFLO, OTV) Photo 2 : COAGULATION/FLOCULATION/FLOTTATION (AQUADAF, DEGREMONT) 1 ALIMENTATION D EAU BRUTE Page 1 sur 29

2 L eau coagulée dans un mélangeur rapide en ligne pénètre dans le canal de distribution en amont de la cellule de floculation. Qu est-ce que la coagulation? 2 - CELLULE DE FLOCULATION L eau coagulée est répartie uniformément dans chaque flottateur muni de 2 étages de floculation équipés en général de mélangeurs à moteurs à fréquence variable. Le procédé de flottation AquaDAF ne requiert que la formation de micro-flocs légers, réduisant ou éliminant l ajout de polymère de floculation. Le temps requis pour cette réaction est en général de 8 à 10 minutes. Qu est-ce que la floculation? 3 ZONE DE DISPERSION AIR-EAU L eau floculée est alors dirigée vers la zone de dispersion où elle est mélangée avec la partie recyclée saturée en air dissous. Cette partie représente environ 8 à 12% du débit traité et recirculé à travers le ballon de saturation sous pression (4 à 6 bar). Le courant de recirculation est alors dépressurisé à travers une série de busettes de relâche, lesquelles sont immergées et réparties sur toute la largeur de la zone de transition. Cette dépressurisation crée des milliers de micro-bulles qui se dispersent dans la cellule de flottation. 4 CELLULE DE FLOTTATION Le principe, derrière le procédé de flottation, est la formation d un lit dense de micro-bulles, à l intérieur de la zone de flottation. Les particules floculées s agglomèreront aux micro-bulles lors de leur remontée en surface, clarifiant ainsi l eau. 5 ACCUMULATION DE BOUES Les solides flottés s accumulent en surface de l AquaDAF produisant une épaisse couche de boue. Deux méthodes d extraction permettent l élimination du lit de boues flottées : Méthode hydraulique, par laquelle un déversoir d effluent s ouvre automatiquement avec une fréquence prédéfinie. Conséquemment, le niveau d eau dans la zone de flottation augmente et la boue est déversée dans la goulotte d évacuation des boues. Méthode mécanique, par laquelle un racleur mécanique s avancera en poussant la couche de solides flottés vers la goulotte d évacuation des boues. 6 COLLECTE D EAU TRAITEE L eau clarifiée est recueillie uniformément à travers un plancher de collecte perforé. Ce système breveté, combiné à d autres avancées technologiques du procédé, crée une résistance au-dessus de la cellule de flottation, entraînant une répartition uniforme et efficace à travers toute la surface du bassin. APPLICATIONS : A A.I LA COAGULATION/FLOCULATION Les suspensions colloïdales Page 2 sur 29

3 A.I.1 Matières en suspensions Ces produits peuvent être d origine minérale (sables, limons, argiles ) ou d origine organique (produits de la décomposition des matières végétales ou animales, acides humiques ou fulviques par exemple). A ces composés s ajoutent les micro-organismes tels que les bactéries, plancton, algues et virus. Ces substances sont responsables de la turbidité et de la couleur. A.I.2 Matières colloïdales a Définition Ce sont des MES (Matières En Suspensions) de même origine que les précédentes mais de plus petites tailles (moins de 1 micromètre de diamètre). b Temps de décantation Tableau 1 : temps mis par certaines particules pour décanter sur 1 mètre d eau. On remarque que plus le diamètre de la particule est faible, plus le temps mis pour décanter est grand. c Problématique Leur décantation ou flottation est alors excessivement lente, elles peuvent donc rester en suspension durant de très longues périodes. Elles sont également génératrices de turbidité et de couleur. Les colloïdes sont donc des particules impossibles à décanter naturellement. En effet les colloïdes sont soumis à deux grands types de forces : Force d attraction de Van der Vaals : liée à la structure et à la forme des colloïdes, ainsi qu à la nature du milieu. Force de répulsion électrostatique : Liée aux charges superficielles des colloïdes. d Solution(s) Pour favoriser la formation d un floc, il va être nécessaire de déstabiliser la suspension. Pour ce faire, il faut diminuer les forces de répulsion électrostatique. C est l étape de coagulation qui va réaliser cette déstabilisation. Théorie : Les colloïdes présents dans l eau sont très généralement chargés négativement (imperfections du réseau cristallin). Afin de neutraliser cette charge négative de surface (dans le but de déstabiliser le colloïde), des ions positifs présents dans l eau ou ajoutés, viennent former une couche autour du colloïde. e Conclusion On va donc utiliser le procédé de coagulation/floculation pour faciliter et optimiser leur élimination, et ainsi réduire la couleur et la turbidité de l eau. Photo 3 : Destabilisation A.II Les étapes de l agrégation Page 3 sur 29

4 A.II.1 La coagulation C est la déstabilisation des particules par ajout d un réactif chimique, le coagulant (exemple : le chlorure ferrique, le chlorure d aluminium ) a. Les coagulants Cations trivalents La neutralisation de la charge superficielle négative du colloïde est réalisée par l ajout de cations dans le cas de coagulants minéraux. La coagulation sera d autant plus efficace que la valence (Z) du cation est élevée. En effet pour diminuer l énergie de répulsion on peut augmenter la force ionique de la solution. Cette dernière dépend de la nature des ions qui se trouvent en solution. n C n Z 2 2 n C : concentration Donc l addition de charges opposées est d autant plus efficace pour déstabiliser les colloïdes, que la charge de ses ions est élevée. Pour déstabiliser une suspension, on va ajouter dans le milieu un coagulant qui va neutraliser la charge négative du colloïde. De préférence un cation trivalent car celui-ci est 10 fois plus efficace qu un ion divalent. Inclusion du colloïde dans un précipité d hydroxyde Le colloïde va alors être piégé dans un précipité de type Al(OH) 3, Fe(OH) 3. (Les sels de fer et d aluminium sont très largement utilisés dans tous les traitements de coagulation d eau.) Les coagulants minéraux Les sels d aluminium : Sulfate d aluminium, chlorure d aluminium Réaction de base lors de l ajout de Al 3+ : Al H 2 O Al(OH) 3 + 3H + L ajout du coagulant entraîne une diminution du ph, et cette acidité peut être neutralisée par la présence d une alcalinité (ex : les ions hydrogénocarbonates) dans l eau : HCO H + H 2 O + CO 2. Si le pouvoir tampon (TAC ou A t ) de l eau brute n est pas suffisant, cette acidité doit être compensée par l adjonction d une base (soude, carbonate de sodium, chaux) Soit : Al HCO 3 Al(OH) 3 + 3CO 2 Les sels de fer : Chlorure ferrique, sulfate ferrique Application 1 Enoncé : La réaction chimique d hydrolyse du sulfate d alumine est la suivante : Al 2(SO 4) 3,18H 2O + 3Ca(HCO 3) 2 2Al(OH) 3 + 3CaSO H 2O + 6CO 2 Page 4 sur 29

5 Le taux de traitement choisi est de 35mg/L 1. Calculer la perte d alcalinité en mg/l d HCO - 3 et en F 2. Calculer la production de CO 2 en mg dans les conditions normales Réponses : o soit AN : soit 0,32mmol/L=0,32meq/L=1,6 F Rappel : C(mmol/L)=C(meq/L)*valence de l ion et 1 F=0,2meq/L La perte d alcalinité est de 1,6 F o 0,32mmol/L soit Travail maison : Enoncé : on injecte du chlorure ferrique dans l eau à traiter. Caractéristiques de l eau à traiter : TA = 0 TAC=10 F Le taux de traitement choisi est de 40mg/L 1. Définir TA et TAC 2. Ecrire l équation de la réaction chimique entre le chlorure ferrique et les ions hydrogénocarbonate. 3. Calculer le TAC de l eau coagulée (mg/l d HCO - 3 et en F) Réponses : 1. Cf TP2 série 1 2. FeCl 3 + 3HCO 3 - Fe(OH) 3 + 3Cl - + 3CO 2 3. Après calculs, la perte d alcalinité vaut soit un TAC Injection du coagulant Taux de traitement en coagulant Le taux de traitement à mettre en œuvre est déterminé par un JAR TEST. Quantité de coagulant à introduire par litre d eau à traiter D Calcul du débit de pompe doseuse Q * C D = Débit de la pompe doseuse (m 3 de coagulant/s) Q = Débit volumique d eau à traiter (m 3 /s) τ = taux de traitement (mol/l ou concentration massique si ρ) C (ou ρ si on parle de concentration massique) = concentration de la solution mère de coagulant (mol/l) Application 2 : Enoncé : Sachant que le débit traité par la station est de 300 m 3 /h, que le taux de traitement en chlorure ferrique est de 70 mg/l et que la solution commerciale à partir de laquelle on effectue le traitement a une densité de 1,45 et une concentration massique de 41%, calculer le débit de la pompe doseuse (L/h). Réponse : o Concentration massique de la solution mère : o Page 5 sur 29

6 Calcul de la distance d injection, d Le temps à respecter entre les ajouts de coagulant et de floculant est primordial, d où la nécessité de déterminer la distance d injection du coagulant par rapport à la zone de floculation. En effet, un floculant n est efficace que lorsque la phase de coagulation est achevée. La durée de cette dernière dépend de la nature des colloïdes, mais aussi de la température de l eau brute. L injection du coagulant se fait, très souvent, dans la canalisation avant la zone de floculation (ou existence d un bassin de coagulation). On connaît : Le débit volumique d eau à traiter Q V Le diamètre de la canalisation, et donc la surface de la section de passage notée S De ces 2 informations on peut en déduire : La vitesse moyenne d écoulement de l eau à traiter, v. Le temps de coagulation, t On sait que : d v Et t Q v S v On en déduit la distance d injection d : d Q V * S t Le tout dans les USI b. Paramètres influençant la coagulation Influence du ph Les coagulants minéraux, par suite de leur hydrolyse, modifient les caractéristiques physicochimiques de l eau à traiter (ph et conductivité) M H 2 O = M(OH) 3 + 3H + M 3+ : ion métallique (ex : Fe 3+ ) C est la variable la plus importante à prendre en considération pour l élimination des colloïdes. Le ph optimal correspond au ph minimum de solubilité de l hydroxyde considéré. Le ph optimal peut être ajusté par ajout d acide ou de base. Tableau 3 : ph (potentiel hydrogène) optimal Influence de la température On a constaté expérimentalement que la plage de ph optimale se rétrécit quand la température diminue. On peut surmonter de diverses manières les difficultés dues à une diminution de la température de l eau : Effectuer la coagulation dans la plage de ph optimale pour cette eau à cette température Augmenter la quantité de coagulant, ce qui a pour effet d accroître la probabilité de collisions entre les particules et d élargir la plage de ph optimale Page 6 sur 29

7 Augmenter la turbidité de l eau par ajout de glaise (argile grasse et imperméable) afin d alourdir le floc ou ajouter un aide coagulant comme la silice activée (SiO 2 : produite avec un mélange de silicate de sodium et d aluminate) pour alourdir et renforcer le floc. Influence du mélange Au cours de la coagulation et de la floculation, on procède au mélange des produits chimiques en deux étapes. Coagulation : Mélange rapide A la première étape, le mélange est énergique et de courte durée : c est le mélange rapide. Ce mélange a pour principal but d optimiser la disperser des produits dans la totalité du volume d eau à traiter. On effectue le mélange rapide en injectant les produits chimiques dans une zone de forte turbulence ou en utilisant des équipements de mélange mécanique. Un mélange rapide inadéquat entraîne en général un accroissement de la quantité de produits chimiques nécessaires. Floculation : Mélange lent L objectif est de favoriser les contacts entre les particules de floc, de turbidité et de couleur. Cependant le mélange doit être suffisamment énergique pour engendrer des différences de vitesse de l eau dans le bassin, mais pas trop. En effet, si tel est le cas, les forces de cisaillement qui s exercent sur les particules de floc risquent de briser ce dernier. Influence de la turbidité Il faut ajouter une concentration minimale de coagulant pour obtenir une certaine quantité de floc. Lorsque la turbidité augmente, il faut augmenter la concentration de coagulant. L augmentation de la quantité de coagulant ne varie toutefois pas de façon linéaire en fonction de l augmentation de la turbidité. Lorsque la turbidité est très élevée, la quantité de coagulant nécessaire est relativement faible, car la probabilité de collision entre les particules est très élevée. Par contre, lorsque la turbidité est faible, la coagulation est difficile. A.II.2 La floculation C est l agglomération de ces particules déchargées en micro-floc, puis en flocons volumineux et décantables, le floc. Cette floculation peut être améliorée par l ajout d un autre réactif : le floculant ou adjuvant de floculation. a. Floculation péricinétique = mouvement brownien des particules En cas de floculation péricinétique, les contacts entre les particules sont causés par le mouvement aléatoire de celles-ci. b. Floculation orthocinétique Il s agit de la floculation provoquée par l agitation de l eau. L agitation facilite l agrégation en augmentant la probabilité des collisions entre les particules. Schéma 1 : Mise en œuvre de la coagulation/floculation Page 7 sur 29

8 c. Les floculants Taux de traitement Q * D C D = Débit de la pompe doseuse (m 3 de floculant/s) Q = Débit volumique d eau à traiter (m 3 /s) τ = taux de traitement (mol/l) C = concentration de la solution mère de floculant (mol/l) Nature des floculants Les floculants minéraux : la silice activée Premier floculant employé. Les floculants organiques : polymères naturels Les alginates : obtenus à partir de l acide alginique L amidon : obtenu à partir de la pomme de terre Floculant organique de synthèse : Il s agit de macromolécules à longue chaîne, obtenues par association de monomère synthétique. Ils ont une très haute masse molaire. Ils sont, très largement, plus efficaces que les polymères naturels. A.III Bilan Synthèse : Pour éliminer la matière colloïdale, on a recours aux procédés de coagulation/floculation. La coagulation a pour but principal de déstabiliser les particules en suspension, c'est-à-dire de faciliter leur agglomération. En pratique ce procédé est caractérisé par l injection et la dispersion rapide de produits chimiques. La floculation a pour but de favoriser, à l aide d un mélange lent, les contacts entre les particules déstabilisées. Ces particules s agglutinent pour former un floc (colloïde piégé dans un précipité d hydroxyde) qu on peut facilement éliminer par les procédés de décantation ou flottation, filtration. Conclusion : Il est important que les procédés de coagulation et de floculation soient utilisés correctement. En effet la production d un floc trop petit ou trop léger entraîne une décantation insuffisante. Les flocs non-retenus par le décanteur arrivent sur les filtres accélérant leur encrassement. Ce qui nécessite des lavages fréquents. Par ailleurs lorsque le floc est trop fragile, il se brise en petites particules qui peuvent traverser le filtre et altérer la qualité de l eau produite. Conséquences : Turbidité, couleur de l eau traitée élevée en sortie de filtre à sable Concentration en MES, abattement (% de MES éliminées) faible : [ MES ] Entrée [ MES ] sortie * 100 [ MES ] entrée Page 8 sur 29

9 B. LA DECANTATION B.I Généralités B.I.1 Objectif(s) La décantation est la méthode la plus fréquente de séparation des MES et des colloïdes de l eau, mais ces derniers (colloïdes) devront être préalablement rassemblés sous forme de flocs après les étapes de coagulation-floculation (partie A). Seules les particules ayant une densité supérieure à celle de l eau décantent. Applications : Eau potable Epuration B.I.2 Décantation des particules grenues et plus ou moins floculées a. décantation des particules grenues Il s agit du cas le plus simple. Figure B.1 : décantation à flux horizontal des particules grenues (bassin de décantation idéal) Rappels : d : diamètre de la particule (m) µ : viscosité dynamique de l eau (Pa.s) ρ P : masse volumique de la particule (kg/m 3 ) V 0 : Vitesse de sédimentation (m/s) V 0 ( p ) gd l 18 2 ρ l : masse volumique du liquide (kg/m 3 ) g = 9,81 m/s² V 1 : vitesse horizontale de l eau (m/s) Q : débit volumique (m 3 /s) l : largeur du bassin (m) H : Hauteur de la zone d entrée (m) L : longueur du bassin (m) avec V H, vitesse de Hazen Condition de capture - flux horizontal (cf démonstration chapitre 1.2) V0 V H Les particules grenues décantent indépendamment les unes des autres avec chacune une vitesse de chute constante (loi de Stokes). Page 9 sur 29

10 b. décantation des particules plus ou moins floculées Elles ont des tailles et des vitesses de décantation variables. Décantation diffuse Figure B.2 décantation à flux horizontal des particules plus ou moins floculées Lorsque leur concentration est faible, la vitesse de chute augmente au fur et à mesure que les dimensions du floc s accroissent par suite de rencontres avec d autres particules, c est la décantation diffuse. L efficacité de la décantation diffuse est liée au temps de séjour. On ne peut calculer mathématiquement la vitesse de décantation d une particule floculée. On peut seulement en faire une estimation par des essais en laboratoire. Figure B.3 colonne de décantation Soit H la hauteur du décanteur. On effectue des prélèvements d échantillons à 0,6 ; 1,2 ; 1,8 et 2,4 m de la surface et ce pour des temps de séjour bien défini. Cette étude de laboratoire permet de tracer le graphique suivant : Influence du temps de séjour sur le pourcentage des particules éliminées en fonction de la profondeur de décantation. Figure B.4 Elimination des particules floculées en décantation diffuse : Relation entre temps, hauteur effective et décantation. Décantation piston Page 10 sur 29

11 Pour les concentrations plus élevées, l abondance des flocs et leurs interactions créent une décantation d ensemble, le plus souvent caractérisée par une interface nettement marquée entre la masse boueuse et le liquide surnageant : c est la décantation piston, dont la vitesse est optimale dans une zone de concentrations, au-dessus de laquelle on parle de décantation freinée. Figure B.4 Courbe de Kynch Indice de Mohlman (sludge volume index) : IM Figure B.5 Evolution de la hauteur des interfaces en fonction du temps, courbe de Kynch Un point particulier est considéré sur la courbe de Kynch, celui d abscisse 30min : Indice de Mohlman, utilisé pour caractériser la décantabilité des boues biologiques et donc pour le dimensionnement de leur clarificateur. V 30 : volume de boue après 30min de V décantation 30 I M M : MES présentes dans ce volume de boue M L inconvénient de cet indice est qu il dépend très nettement de la concentration initiale de la boue. C est pourquoi l on a définit l indice de boue qui est indépendant de ce dernier paramètre. L indice de boue est caractéristique de l état des boues de la station. Indice de boue La courbe de Kynch est déterminée après des dilutions permettant de retrouver un volume de boue, après 30min de décantation, au voisinage de mL par L. V f M I B 30 dilution. f étant le facteur de Photo B.1 tests de décantation en éprouvettes, effet de la dilution IB < 100 ml/g de MES Condition idéale : Les boues sédimentent facilement et sont le plus souvent bien minéralisées (MVS < 65%) 100 < IB < 150 ml/g de MES Condition acceptable pour des installations fonctionnant dans le domaine de la faible charge aération prolongée IB > 150 ml/g de MES Difficultés possibles de décantation liées au développement de bactéries filamenteuses Page 11 sur 29

12 Figure B.6 Valeurs seuil de l indice de boue Exemples de dysfonctionnements : Le foisonnement : indice de boue supérieur à 200. un développement filamenteux important limite fortement les capacités hydrauliques du clarificateur et peut entraîner des départs de boue dans le milieu naturel. Lors de l observation microscopique, on observe une densité importante de microorganismes filamenteux. Les mousses biologiques : Les mousses forment des amas de flottants très stables de couleur marron clair à marron foncé et de structure visqueuse. Leur densité tend à s accroître progressivement au cours du temps. Ces mousses sont peu déstructurées par une agitation de surface et reforment rapidement un tapis uniforme en absence d agitation. Les bulles de gaz favorisent la flottation. Ces flottants constituent un milieu favorable au développement privilégié de certaines bactéries filamenteuses responsable de moussage. Les bactéries filamenteuses : lors de la multiplication cellulaire, la séparation des cellules mère et fille restent en contact voire partagent une paroi cellulaire. Ce type de croissance, que l on observe également chez les champignons conduit à la formation de filaments pouvant atteindre 500µm de long. B.II Décantation lamellaire B.II.1 Principe La décantation lamellaire repose sur le principe qu en décantation libre, la rétention d une particule grenue est indépendante de la hauteur de l ouvrage : H : hauteur de la zone d entrée Figure B.7 Avantages d une décantation lamellaire On notera : l : largeur du décanteur L : longueur du décanteur a- Décantation simple Emprise au sol : l*l Débit traité : Q b- Décantation lamellaire : Emprise au sol identique à celle du cas a (l*l) n cellules de séparation Débit traité : n fois supérieur au débit traité dans le cas de figure a. c- Décantation lamellaire : Débit traité identique à celui du cas a n cellules de séparation emprise au sol n fois inférieure à celle des cas a et b V 0 Q S H Il est donc possible d augmenter de façon très importante la surface disponible de décantation en superposant sur la hauteur de l ouvrage un grand nombre de cellules de séparation eau/boue. Pour des rendements d élimination identique, la décantation lamellaire permet : soit d augmenter le débit traité tout en ayant la même surface au sol qu un décanteur simple. Page 12 sur 29

13 soit de réduire la surface au sol tout en traitant le même débit que celui traité par un décanteur simple. B.II.2 Mise en œuvre On peut retrouver plusieurs modèles de faisceaux lamellaires : Plaques : planes ou ondulées Tubes : ronds, carrés Modules hexagonaux (photos 2 et 3) Photo B.2 : Modules hexagonaux Photo B.3 : modules hexagonaux avec goulottes de récupération eau traitée Photo B.4 : Dépôt de MES sur modules hexagonaux (vue de dessus) Figure B.8 : coupe d un décanteur lamellaire à modules hexagonaux Figure B.9 : Coupe d un décanteur à lamelles planes Afin d évacuer gravitairement les boues décantées, les lamelles sont inclinées d un angle θ par rapport à l horizontale. La vitesse de Hazen se calcule alors sur la surface projetée (=nscosθ) de l ensemble des éléments lamellaires : Figures B.10 et B.11 : Détermination de la surface projetée des lamelles Page 13 sur 29

14 V H ns Q cos n = nombre de lamelles ϴ = angle d inclinaison de la lamelle par rapport à l horizontale S = surface d une lamelle (l*l) B.II.2 Types de décantation lamellaire Contre-courant : l eau et les boues décantées circulent en sens inverse. Celle-ci permet l organisation hydraulique la plus simple et la plus fiable. 1- Entrée de l eau floculée 2- Zone de distribution 3- Récupération de l eau décantée 4- Sortie de l eau décantée 5- Fosse à boues 6- Evacuation des boues Courants croisés : l eau et les boues décantées circulent perpendiculairement l un par rapport à l autre. L équirépartition des flux hydrauliques est délicate. Chaque cellule doit recevoir le même débit afin d éviter les survitesses à l origine d une dégradation de la décantation. Figure B.12 : Contre-courant 1- Entrée de l eau floculée 2- Zone de distribution 3- Récupération de l eau décantée 4- Sortie de l eau décantée 5- Fosse à boues 6- Evacuation des boues cocourant : l eau et les boues décantées circulent dans le même sens. Elle se heurte à de grandes difficultés pour la reprise de l eau traitée. Figure B.14 : courants croisés 1- Entrée de l eau floculée Sortie de l eau décantée 5- Fosse à boues 6- Evacuation des boues Figure B.13 : Cocourant Page 14 sur 29

15 B.II.4 Paramètres influençant l efficacité d un système lamellaire Hydraulique : La forme des lamelles doit favoriser le passage du régime d écoulement de turbulent, à l entrée des lamelles, à laminaire, au sein des lamelles. Répartition de l eau dans les cellules : chaque cellule doit recevoir le même débit afin d éviter les survitesses limitant l optimisation de la décantation. Ecartement des lamelles : il doit être suffisant afin d éviter le colmatage des lamelles par la boue décantée et pour permettre éventuellement leur nettoyage. Surface de décantation équivalente : plus elle est importante, meilleure sera la décantation. NB : L efficacité des modules hexagonaux est supérieure à celle des autres faisceaux, car ils minimisent les risques de colmatage tout en offrant une surface de décantation équivalente très importante. B.III.4 Exemples de technologie Figure B.15 : DENSADEG, Degrémont (décanteur avec recirculation de boues : voir B.III) 1- Coagulation 2- Floculation agitée 3- Floculation piston 4- Cuve de décantation (90% des flocs décantent et s épaississent sans monter dans le lamellaire) 5- Epaississement des boues 6- Décantation lamellaire (récupère 10% des flocs) B.III B.III.1 Décantation à contacts de boue Principe Ce type de décantation applique simultanément les principes de la floculation avec contact de boues et de la décantation piston des particules floculées. Page 15 sur 29

16 L eau à traiter, préalablement coagulée, est mise en contact avec les boues pré-existantes : L augmentation très importante de la possibilité de rencontre entre les colloïdes de l eau et les flocs du lit de boue se traduit par une augmentation des vitesses de décantation et de floculation. B.III.2 Décantation à recirculation de boues Les boues sont séparées de l eau clarifiée dans une zone de décantation. Elles sont ensuite recyclées vers une zone de réaction et de mélange munie d une agitation mécanique (Turbocirculator) ou hydraulique (Thermocirculator), fournissant l énergie simultanément nécessaire à la floculation et à la recirculation des boues. L eau brute, additionnée des réactifs, est introduite dans cette même zone de mélange. Le recyclage peut être : Externe (Thermocirculator et Densadeg) : les boues sont reprises en cours d épaississement par un pompage étudié pour ne pas détruire le floc. Puis elles sont réintroduites à l entrée du réacteur de floculation. Légende : 1- Arrivée d eau brute 2- Pulvérisateur 3- Arrivée des réactifs 4- Entonnoir 5- Cheminée d écoulement 6- Tuyauterie d évacuation des boues 7- Sortie des gaz incondensables 8- Entrée de vapeur de réchauffage 9- Boues recirculées 10- Départ d eau condensée vers filtration 11- Ejecteur de vapeur Figure B.16 : Thermocirculator Interne (Turbocirculator) : Le retour des boues dans la zone de floculation est provoqué par le même dispositif (hélice, turbine) que celui qui assure la turbulence nécessaire à la floculation. Figure B.17 : Principe de la recirculation interne Page 16 sur 29

17 2. Recirculation interne des boues 3. Mûrissement du floc 4. Zone de décantation 5. Racleur 6. Boues en excès 7. Eau traitée 8. Mélange mécanique EBboues recirculées 9. Injection de réactifs 10. Récupération des éventuels flottants Figure B.18 : Turbocirculator Légende : 1. Arrivée d eau brute Ces appareils sont utilisés pour la clarification seule, pour la précipitation de divers sels ou de métaux sous forme d hydroxydes. B.III.3 Décantation à lit de boue Page 17 sur 29

18 7 1- Distribution de l eau brute suivant un flux vertical ascendant 2- Lit de boues 3- Eau décantée 4- Récupération de l eau décantée 5- Boues en excès 6- Fosse à boues 7- Extraction des boues Figure B.19 : Principe de la décantation à lit de boues Légende : La floculation et la décantation sont parfaitement intégrées : on parle de floculateursdécanteurs. L eau préalablement coagulée traverse suivant un flux vertical ascendant les matières floculées en cours de décantation. Si l on distribue uniformément l eau coagulée sur toute la surface du fond d un appareil (radier plat) les lits liquides seront parfaitement verticaux et correspondront à des vitesses ascensionnelles identiques en tout point du lit de boues. Ce lit présente alors une certaine cohésion qui le rend apte à supporter des vitesses ascensionnelles supérieures à celles qu accepterait un floc isolé. Cette cohésion explique l élasticité du lit de boue, qui va se comporter tel un ressort. Le lit va tendre à se contracter sous l action de la pesanteur (décantation des particules) Le lit va s étirer plus ou moins sous l action du flux ascensionnel de l eau. Attention : Si la vitesse ascensionnelle est trop élevée, la vitesse de décantation n est plus suffisante pour assurer une sédimentation de l ensemble. Le ressort se casse et du floc diffus est entraîné avec l eau. Décanteur ultrapulsator (vitesses ascensionnelles : 9 à 12 m/h) Page 18 sur 29

19 Photo B.5 : Tuyaux perforés (vue de dessus) Figure B.20 : Coupe de l ultrapulsator 1- Arrivée d eau brute 2- Chambre à vide 3- Ventilateur 4- Vanne de mise à l air libre 5- Canal de distribution de l eau brute 6- Tuyauterie perforée de répartition d eau brute 7- Plaques de décantation 8- Concentrateur de boues 9- Tuyauterie d extraction des boues 10- Vannes d extraction des boues 11- Tuyauterie perforée de reprise d eau décantée 12- Lamelles de décantation Figure B.21 : Principe de l ultrapulsator Page 19 sur 29

20 L ouvrage est constitué par un bassin à fond plat, muni à sa base par un réseau de tuyaux perforés, surmontés de tranquilisateurs permettant d introduire l eau brute uniformément sur toute sa surface. Assure le maintien d un flux identique en tous points du lit de boues et évite tous risques de zone morte. En partie supérieure un autre réseau de tuyaux perforés assure une reprise uniforme de l eau décantée. Pulsator = alimentation discontinue du collecteur inférieur. L eau est introduite avec un fort débit pendant un court instant, suivi d une période de repos à faible débit. On constate que la masse de boues se maintien en suspension homogène. La boue se trouve entraînée vers le haut pendant l introduction de l eau. L énergie dissipée engendre des turbulences qui dissocient les agrégats naissants. Pendant la période de repos, elle décante d une manière régulière. L eau est introduite par l intermédiaire d une cloche en haut de laquelle on crée une dépression. Dans ces conditions, le niveau de l eau brute monte progressivement dans la cloche. Lorsque le niveau atteint une valeur comprise entre 0,6 et 1,0 m au-dessus du niveau de l eau dans le décanteur, un relais électrique commande l ouverture d une vanne casse vide (mise en communication avec l atmosphère). L eau pénètre alors dans le décanteur avec une grande vitesse. Temps de remplissage de la cloche : 30 à 40 sec Temps de chasse : 7 à 15 sec Pour maintenir constant le niveau du lit de boue, une zone latérale du décanteur est réservée pour former les fosses à fond incliné dans lesquelles la boue en excès peut se déverser et se concentrer. Purge intermittente. Figure B.22 : Applications possibles Performance Turbidité inférieure à 1-2 NTU Capacité à traiter une eau brute avec très forte turbudité (0 à 2000 NTU) Jusqu à 60% d enlèvement de COT (carbone organique total) Faible consommation d énergie Aucune pièce mobile immergée Floculation/clarification intégrées en une unité Page 20 sur 29

21 B.IV Décantation à flocs lestés Figure B.23 : principe de la décantation à flocs lestés 1- Arrivée d eau brute 2- Injection de réactifs (coagulant, complément de microsable) 3- Floculateur 4- Décanteur 5- Pompage boues + microsable 6- Hydrocyclone (séparation bouesmicrosable) 7- Récupération des boues 8- Réutilisation du microsable pour formation du floc lesté 9- Polymère Légende : De la loi de Stokes, il ressort que la décantation des particules sera d'autant plus rapide que celles-ci seront plus lourdes. L'idée est d'alourdir considérablement le floc en le fixant sur des grains de microsable (granulométrie comprise entre 10 et 100 µm) ajoutés à l'eau brute dans une proportion importante. Figure B.24 : Actiflo, OTV Utilisations : clarification des eaux de surface, production d'eaux de process, traitement des eaux usées, décantation des eaux pluviales. Il est depuis longtemps admis que la présence de cette charge granulaire modifie complètement le processus de coagulation/floculation. Au lieu d'assister à la formation de flocs qui grossissent en 15 ou 20 minutes pour atteindre la taille de 1 à 2 mm et se Page 21 sur 29

22 déposer lentement, on voit la masse de microsable traverser très rapidement l'eau en entraînant au passage toutes les matières en suspension et les matières colloïdales. Il se forme un amalgame sable + floc. Chaque grain de sable devient lui même un floc. La fixation des flocs sur les grains nécessite l'utilisation d'un liant intermédiaire (polymère). Le microsable ainsi activé possède un double effet : il agit comme un lest des matières coagulées, accélérant considérablement leur décantation, il joue également un rôle d'initiateur de coagulation, les matières coagulées s'agglutinant autour de chaque grain de sable. Environ 3 minutes suffisent pour obtenir un dépôt de microsable auquel s'est aggloméré l'hydroxyde d'aluminium (ou de fer selon le coagulant utilisé) lui-même lié aux matières à éliminer à l'eau. Enfin, les grains de microsable présentent une grande surface développée et offrent ainsi une zone importante de réactivité qui permet de surmonter les difficultés de floculation rencontrées avec les eaux froides ou polluée Page 22 sur 29

23 C. LA FLOTTATION Par opposition à la décantation, la flottation est un procédé de séparation solide-liquide qui s applique à des agrégats dont la masse volumique est inférieure à celle du liquide qui les contient. Ces agrégats étant recueillis sous forme d écumes (boues flottées) à la surface supérieure de l appareil. C.I C.I.1 Les différentes flottations Flottation naturelle Si la différence entre la masse volumique des agrégats et l eau est naturellement suffisante pour une séparation. C.I.2 Flottation assistée Lorsqu elle met en œuvre des moyens extérieurs pour améliorer la séparation des particules naturellement flottables. C.I.3 Flottation provoquée Photo C.1 : Raclage des boues flottées Figure C.1 : AQUADAF Lorsque la masse volumique de la particule, à l origine supérieure à celle du liquide, est artificiellement réduite pour provoquer sa flottation. Elle tire partie de l aptitude qu ont certaines particules solides à s unir à des bulles de gaz (de l air en général) pour former des attelages (particules-gaz) moins dense que le liquide dont elles constituent la phase dispersée. Moyennes bulles Fines bulles Microbulles 2 à 4 mm Centaines de µm à 1 mm 40 à 70 µm FLOTTATION ASSISTEE PAR L AIR SANS REACTIFS FLOTTATION ASSISTEE OU PROVOQUEE PAR L AIR ET PAR DES REACTIFS (FLOTTATION MECANIQUE OU MOUSSAGE) Figure C.2 : les 3 catégories de bulles FLOTTATION PROVOQUEE : FLOTTATION A AIR DISSOUS (FAD ou DAF : Dissolved Air Flottation) Page 23 sur 29

24 C.II la flottation provoquée : Flottation par microbulles (FAD) C.II.1 Relation entre dimension et vitesse des bulles La vitesse ascensionnelle d une microbulle de gaz dans l eau, en régime laminaire, est donnée par la loi de Stokes : v a gd 2 ( ) l 18 g Attention : Lorsque le diamètre de la bulle croît, la vitesse ascensionnelle de celle-ci augmente et le régime cesse d être laminaire. Il devient turbulent, et la formule ci-contre n est plus valable C.II.2 Vitesse ascensionnelle de l attelage particules - bulles On injecte des bulles de gaz au sein de la masse liquide. Ces dernières viennent s unir aux particules pour former un attelage de densité inférieure à celle du liquide L équation de Stokes est toujours valable si : o d = diamètre de l attelage o on prend en compte la masse volumique de l attelage (dépendant du rapport volume d air/volume de l attelage) o on prend en compte le facteur de forme ou de sphéricité de l ensemble ψ (volume de la sphère de même surface/volume du grain. Ex : sable a un facteur de sphéricité égal à 2) C.II.3 considération sur la taille des bulles Pourquoi utiliser des microbulles? Pour un débit donné de gaz : on augmente la concentration des bulles, ainsi on augmente la probabilité de rencontres entre les particules et les bulles de gaz. La faible vitesse ascensionnelle des microbulles par rapport à la masse du fluide permet la bonne adhérence des microbulles sur les particules fragiles que sont les flocs. C.II.4 Volume minimal de gaz nécessaire pour assurer la flottation d une particule de volume V p V V gaz particules particules liquide liquide gaz Cette relation vient de la condition de flottation suivante : ρ attelage < ρ liquide C.II.5 Importance de la qualité du floc Les microbulles étant 10 à 100 fois plus grosses que les colloïdes, l accrochage des microbulles est négligeable et leur coagulation floculation constitue une étape essentielle à leur flottation. La zone de mélange microbulles/flocs est turbulente, ce qui impose des flocs suffisamment des flocs suffisamment résistants aux forces de cisaillement. C.II.6 Production de microbulles Page 24 sur 29

25 a. Production des microbulles par pressurisation Il s agit de la technique la plus répandue. Les bulles sont obtenues par détente d une solution enrichie en air dissous sous une pression de quelques bars. Il existe deux types de pressurisation : Directe Indirecte (AQUADAF, SEADAF et GREENDAF) Figure C.3 : Solubilité de l air dans l eau à 20 C en fonction de la pression absolue Figure C.4 : Principes de base de la pressurisation directe et indirecte Figure C.5 : SEADAF (technologie Degrémont) Figure C.6 : GREENDAF (technologie Degrémont) PRESSURISATION INDIRECTE Clarification des eaux de mer avant dessalement Déphosphatation des eaux usées i. Dans le traitement de clarification d eau de surface (Figures C.1 et C.5) ou d ERI (Figure C.6), la pressurisation est indirecte. En effet le débit d eau pressurisé est une fraction du débit d eau traitée (environ 10 à 50 % du débit à traiter). La pression appliquée est comprise entre 3 et 6 bars. En pratique on réalise une dissolution d air à un taux d environ 70 à 95 % de la saturation à la pression considérée. ii. Dans le cas de l épaississement de boue la pressurisation se fait de façon directe ou indirecte et la consommation d air est beaucoup plus élevée. pressurisation directe Dans ce cas le débit massique de l air entrant dans le bassin de flottation est donné par la relation : W i =QC i Page 25 sur 29

26 C i : concentration de l air dans l eau. Le débit d air qui quitte le bassin est donné par la relation W f =QC f On en déduit le débit d air consommé par la flottation W air =QC i -QC f Q étant le débit de la solution enrichie D après Henry : C i =PC f P est exprimé en atmosphère D où par combinaison : W air = QC f (P-1) Comme la saturation complète du liquide est rarement totale dans le bassin de rétention, un facteur de correction f est appliqué à la pression. W air = QC f (fp-1) Le débit massique des boues à l entrée du bassin W MES =QX 0 W W air MES C f ( fp 1) X 0 pressurisation indirecte Taux de recirculation R= Q Q R Débit massique de l air contenu dans l effluent recyclé : W = Q r C r Débit massique de l air dans l influent brut : W = QC i Débit massique de l air à l entrée du flottateur : W + W = Q r C r + QC i Débit massique de l air en sortie de flottateur : W = (Q+Q r ) C f Débit massique de l air consommé : W cons = Q r C r + QC i -(Q+Q r ) C f W cons = RQC r + QC i -(Q+RQ) C f W cons = Q(RCr + C i -C f -RC f ) Débit massique en MES entrant : W MES =QX o w W AIR MES RC r C C i X o f RC f C i, C f = concentration faible C r = concentration élevée Approximation : C i =C f Donc w RC r RC AIR f R( Cr C f ) W X X MES o o C r =PC f Page 26 sur 29

27 D où : w R( C AIR r C f ) RC f ( P 1) W X X MES o o P est exprimé en atmosphère ou en bar Plus le rapport : W W Air MES est grand, plus la force ascensionnelle est élevée. La vitesse de l eau ne sera en aucun cas supérieure à la vitesse ascensionnelle des bulles. La vitesse ascensionnelle des bulles varie en fonction de leur diamètre. Plus les bulles seront fines, plus l accrochage sera meilleur. Plus elles seront grosses, plus elles monteront vite. Il faut donc chercher un compromis entre l efficacité de la flottation et la vitesse de flottation. Pour les eaux résiduaires, il n est pas possible de flotter toutes les MES. Les plus lourdes décanteront et seront récupérées par un racleur de fond. b. Electroflottation : Electrolyse de l eau Il s agit de la production de bulles (H 2 et O 2 ) par électrolyse de l eau au moyen d électrodes appropriées. L'électrolyse peut être utilisée pour décomposer l'eau (H 2 O) en dihydrogène (H 2 ) et en dioxygène (O 2 ). Réactions : Oxydation à l'anode (reliée au pôle + du générateur) : 2H 2 0 (l) O 2(g) + 4H + (aq) + 4 e - Réduction à la cathode (reliée au pôle - du générateur) : 4H 2 0 (l) + 4 e - 2H 2(g) + 40H - (aq) Globalement, nous avons : 2H 2 O (l) 2H 2(g) + O 2(g) Les anodes sont très sensibles à la corrosion, et les cathodes sont très sensibles à l entartrage. Page 27 sur 29

28 C.III la flottation assistée C.III.1 Flottation à l air sans réactif Il s agit d une flottation naturelle favorisée par l insufflation d air au sein de la masse liquide (air dispersé au travers d un corps poreux ou d un diffuseur). Ce procédé concerne la séparation de graisses dispersées. L air est insufflé par des diffuseurs moyennes bulles provoquant une turbulence de façon à séparer les particules lourdes (minérales ou organiques), agglomérées avec les graisses. C.III.2 Flottation mécanique ou moussage En traitement d eaux huileuses, la séparation des huiles par flottation mécanique est appelée : «moussage». Cette séparation est obtenue par l addition de coagulant organique ou d agent désémulsifiant. Assure la séparation efficace de l eau et l huile. Emulsion = mélange hétérogène de deux substances liquides non miscibles Page 28 sur 29

29 Page 29 sur 29 Cours C. Le Carluer

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