Chapitre 4 - La décantation GCI 720 - Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2011 Hubert Cabana, 2011 1
Hubert Cabana, 2011 Kawamura, 2000 2
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, 2011 3
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, 2011 4
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, 2011 5
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, 2011 6
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, 2011 7
Sédimentation discrète Accélération verticale de la particule, jusqu à ce que la force de trainée soit égale à la force gravitationnelle; Hubert Cabana, 2011 8
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, 2011 9
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, 2011 10
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, 2011 11
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 < 100 000 : = 0. 44Φ Trans-critique C d Re > 100 000 : Cd = 0. 1Φ Re p = D p u o ρ / µ Hubert Cabana, 2011 12
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, 2011 13
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<200 000 : C d = 0.44 (Loi de Newton) u t gd ( ρ ρ ) p p f 2 2 1 D p t f =. 75 ρ f F = 0.055π D u ρ Hubert Cabana, 2011 14
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 < 2 360 Loi de Newton Hubert Cabana, 2011 15
En résumé Sphére dans un fluide newtonien Pour : C D Vitesse terminale Re<1 K< 2.62 Re 1<Re<500.5 2.62<K<43.5 0. 6 500<Re<10 5 43.5<K<2360 24 ( ρ ρ ) Re p f 18µ gd 1.6 18 D ( ρ ρ ) 2 p g p p f 0.6 0.4 13.87µ ρ 0.71 0.441 gdp( ρ p ρ f ) 1.75 Re>10 5 0.1 gdp( ρ ρ ) 3.65 ρ ρ f p f f Hubert Cabana, 2011 16
Coefficient de traînée pour des particules non-sphériques Sphéricité Φ = Ratio Surface sphère / surface de la particule Hubert Cabana, 2011 17
Comportement des particules dans un bassin idéal Hubert Cabana, 2011 18
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, 2011 19
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, 2011 20
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, 2011 21
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, 2011 22
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 = 200 400 m 3 m -2 j -1 Hubert Cabana, 2011 23
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, 2011 24
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, 2011 25
Sédimentation de type II batch tests Qasim et al., 2000 Hubert Cabana, 2011 26
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, 2011 27
Sédimentation de type II batch tests Qasim et al., 2000 Hubert Cabana, 2011 28
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, 2011 29
Sédimentation de type II batch tests Qasim et al., 2000 Hubert Cabana, 2011 30
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, 2011 31
Sédimentation de type II batch tests Qasim et al., 2000 Hubert Cabana, 2011 32
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, 2011 33
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, 2011 34
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 0.6 0.8 Temps de séjour 1.25 1.75 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, 2011 35
Design des bassins de décantation Hubert Cabana, 2011 36
Types de bassins traditionnels AWWA, 1990 Hubert Cabana, 2011 37
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, 2011 38
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, 2011 39
Critères de conception À Qmax Qasim et al., 2000 Hubert Cabana, 2011 40
Critères de conception Kawamura, 2000 Hubert Cabana, 2011 41
Critères de conception Décanteur rectangulaire avec écoulement horizontal Nombre : > 2 Profondeur : 3-5 m; Vitesse moyenne : 0.3 1.1 m/min; Temps de séjour : 1.5 4 h Taux de débordement : 1.25 2.5 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, 2011 42
Amélioration des procédés de sédimentation Décanteur laminaire Diminue la turbulence, Diminue la distance à parcourir; Diminution du court-circuitage Hubert Cabana, 2011 43
Décanteur laminaire Qasim et al., 2000 Hubert Cabana, 2011 44
Critères de conception Décanteur rectangulaire avec écoulement horizontal Nombre : > 2 Profondeur : 3.6-4.55 m; Vitesse maximale dans les tubes: 0.15 m/min; Temps de séjour minimale dans le module: 4 min Taux de débordement : 3.8 7.5 m 3 m -2 h -1 Taux de déversement dans le déversoir: 3.7-7.5 m 3 m -1 h -1 Kawamura, 2000 Hubert Cabana, 2011 45
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, 2011 46 AWWA, 1990
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 < 0.3-09 mm de façon à distribuer uniformément le débit; Les orifices doivent présenter un diamètre uniforme (7.5 20 cm); Le débit doit être dirigé vers la sortie; Hubert Cabana, 2011 47
Design de l entrée / sortie d eau La sortie d eau Système constitué d un déversoir et d une goulotte Hubert Cabana, 2011 48
La sortie d eau Hubert Cabana, 2011 49 Qasim et al., 2000
La sortie d eau Hubert Cabana, 2011 50 Qasim et al., 2000
La collecte des boues Hubert Cabana, 2011 51
La boue Typiquement, la variation de la turbidité est un indicateur de l élimination des MES; Typiquement MES:NTU ~ 0.5 2 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, 2011 52
Quantité de boue produite Hubert Cabana, 2011 53 Qasim et al., 2000
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, 2011 54
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, 2011 55
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, 2011 56 AWWA, 1990
À chaîne et raclettes Hubert Cabana, 2011 57 AWWA, 1990
À pont roulant http://www.trivenigroup.com/water/rectangular-clarifier.html http://www.eimcowatertechnologies.com/muniusa/index.php?option=com_content&view=article&i d=181&itemid=183 Hubert Cabana, 2011 58
À pont roulant La raclette a une hauteur de 0.6 0.75 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, 2011 59
Circulaire http://www.trivenigroup.com/water/circular-clarifier.html Hubert Cabana, 2011 AWWA, 1990 60
Circulaire Peut être entraîné par le centre ou la périphérie; Collecte des boues au centre; Hubert Cabana, 2011 61
Autres collecteurs Hubert Cabana, 2011 62 AWWA, 1990
Hubert Cabana, 2011 63 Qasim et al., 2000
Pompage des boues Vitesse minimale = 0.6 m/s; Diamètre minimal de la conduite : 20 cm; Vidange intermittente des bassins est nécessaire. Hubert Cabana, 2011 64
En résumé Hubert Cabana, 2011 65
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, 2011 66
Critères de conception typiques Coagulation Temps de séjour : 2-8 heures Taux de débordement : 20-40 m 3 m -2 j -1 Taux de débordement au déversoir : 200-300 m 3 m -1 j -1 Adoucissement Temps de séjour : 1-6 heures Taux de débordement : 40-60 m 3 m -2 j -1 Taux de débordement au déversoir : 250-350 m 3 m -1 j -1 Hubert Cabana, 2011 67
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, 2011 68