Cours N°3 - Décantation - Etudiants - 9 Mai 2015-1 [PDF]

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Chapitre III

DECANTATION Chapitre III Décantation

III.1 Définition: 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. On met à profit la différence de densité entre les phases liquide et solide. III.2 Les différents types de décantation Selon la concentration et la nature des particules (densité et forme), on distingue quatre types de décantation :  Type I : Décantation discrète (particules isolées ou grenues) Dans les milieux dilués, les particules conservent leurs propriétés initiales (forme, dimensions et densité) au cours de leur chute. La vitesse de chute est alors indépendante de la concentration en solide.  Type II : Décantation floculante (diffuse) Dans un milieu relativement dilué (MES < 500 mg/L) les particules s'agrègent pour former des flocs de plus en plus gros la vitesse augmente avec la taille des flocs. Les propriétés physiques de ces particules (forme, dimensions, densité et vitesse de chute) sont donc modifiées pendant le processus.  Type III : Décantation piston (décantation freinée) Ce type de décantation est caractérisé par une concentration élevée de particules (MES>500 mg/L); il se produit une sédimentation d’ensemble (en bloc) présentant une interface nette entre le liquide surnageant et la masse boueuse qui décante en piston.  Type IV : Décantation par compression Le milieu est très concentré (MES>1000 mg/L); les particules entrent en contact les unes avec les autres et forment une structure. La sédimentation ne peut avoir lieu qu’en compressant la masse des couches inférieures. Tableau 1 : Les caractéristiques des différents types de décantation Types

Particules non floculantes

Milieu

II

floculantes

Dilué

Flocs de plus en plus gros

Augmente avec la taille

III

floculantes

concentré

Flocs décantent en bloc

lente

IV

structure

Très concentré

Particules forment une structure qui se modifiera

Par compression

I

Dilué

Mode de décantation Particules indépendantes les unes des autres

Vitesse constante

III.3 Décantation des particules discrètes (grenues) III.3.1 Principe de la décantation Les Particules discrètes chutent indépendamment les unes aux autres tout en gardant leurs propriétés physiques initiales (vitesse, diamètre, forme, densité,…). Si cette particule chute dans un fluide au repos, celui-ci offre une résistance au mouvement de la particule, c’est la force de trainée causée par la viscosité du fluide et son inertie. Cette force de trainée augmente avec la vitesse de la particule. Elle est soumise aux forces suivantes: - Force de gravité FG = m.g = ρp.Vp.g -

Force de résistance (viscosité) FD=Cd.Ap.ρL.v2/2

(1) (2)

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-

Force de poussée d’Archimède FA=ρL.VP.g

-

ρL et ρp respectivement les masses volumiques de l’eau et particule Cd = coefficient de frottement (trainée) Vp : volume de la particule Ap : Aire de la section de la particule v : vitesse de chute de la particule g : accélération de la pesanteur

-

(3) de la

A l’équilibre, la force résultante est nulle et la particule chute avec une vitesse constante. La force résultante Fr = FG - FA – FD = 0 (4) D’où : Cd.Ap.ρL.v

2

/2 = (ρp–ρL) g vp

(5)

(6) Pour une particule sphérique et  dp: diamètre de la particule

(7) ; (8)



La vitesse de chute v est donnée par l’équation suivante : (9)  Coefficient de traînée: (10) Nombre de Reynolds (sans dimension): (11)

μL: viscosité dynamique (Pa.s ou N.s/m2) Ф: facteur de forme Dans le cas d’une particule sphérique ф = 1 La valeur de b et n dépend du type d’écoulement: -

Ecoulement laminaire: Re < 1

-

Ecoulement transitoire : 1 < Re < 500

-

Ecoulement turbulent : 500 < Re < 10000

n = 1 et b = 24 n = 0.6 et b = 18.5 n = 0 et b = 0.44

III.3.1.1 Equation de Stokes Pour Re < 1 régime décantation laminaire : C’est la loi de Stokes Traitement des eaux potables/ Dr. F. AMMOUR/ Hydraulique Urbaine/ ENSH

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Chapitre III Cd=24/Re

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En combinant les équations (9) (10) et (11), On trouve : (13) III.3.1.2 Equation d’Allen (cas intermédiaire) Pour 1 < Re < 500 : (14)

Et l’équation (9) devient : (15) III.3.1.3 Equation de Newton Pour 500 < Re < 10 000 L’équation (9) devient:

Cd=0.44 constant

(16)

(17)

Figure1 : Variation du coefficient de trainée en fonction du Re et pour des particules de différentes formes

III.3.2 Calcul de la vitesse de chute d’une particule de diamètre connu: Pour calculer v il faut connaître Re ; or Re est fonction de v. On a donc un Problème non linéaire Ce problème peut être résolu par deux méthodes : a) La méthode itérative : - on suppose que le régime est laminaire - on calcule la vitesse par la loi de stokes - On vérifie le régime si l’hypothèse de départ est juste on s’arrête, si non on applique la formule d’un autre régime jusqu' à ce que l’hypothèse de départ soit vérifiée. b) La méthode basée sur le calcul de K:

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On calcule K (18) -

Si K < 2.6 , on applique la loi de Stockes

-

Si 2.6 < K < 44, on applique la loi de Allen

-

Si 44 < K < 2360, on applique la loi de Newton

III.3.3 Calcul de la taille d’une particule dont la vitesse de chute est connue: d= f(Re) et Re=f(d) Problème non linéaire. On procède à ce calcul en posant l’hypothèse que l’une des trois équations s’appliquent et après résolution de l’équation on vérifie l’hypothèse de départ par le calcul K. si l’hypothèse de départ n’est pas vérifiée on applique d’autre formule de vitesse la plus probable. Tableau 2 : Récapitulatif des formules de calcul de la vitesse de chute des particules discrètes

III.6 Théorie du décanteur parfait (idéal): Soit un décanteur à écoulement laminaire horizontal (figure 2). Il s’agit d’un bassin rectangulaire à fond horizontal de longueur L, de profondeur H et de largeur l. Le bassin a une superficie SH = L.l et une section transversale A= H.l).

Figure2 : Décantation à flux horizontal Pour qu’il y’ait une décantation complète de toute les particules ayant une vitesse de chute superieure ou égale à v0 (vitesse choisie ou limite), il faut que les dimensions du bassin soient calculées de façon que les particules provenant au bassin à une distance de radier H puissent atteindre le fond. Soient t1 et t2 les temps respectifs pour parcourir H et L t1 = H/vo t2 = L/vL = L/(Q/A) = L/(Q/H.l) Les particules décantent si t1 ≤ t2 H/vo ≤ L/(Q/H.l) vo / H≥ Q/H.l.L vo≥ Q/ L.l vo≥ Q/ SH

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C’est vitesse de Hazen ou charge hydraulique superficielle Q est le débit traversant le bassin SH : surface horizontale du décanteur vo est donc indépendante de la profondeur du décanteur. Toutes les particules ayant une vitesse vp≥ v0 sont éliminées. Les particules dont la vitesse de chute vp < v0 seront éliminées si elles pénètrent à une hauteur h 500 mg/L), les interactions entre particules deviennent importantes et la décantation est freinée. Ce type de décantation est caractérisé par une interface nette entre le liquide surnageant et les flocs qui décantent en piston. La théorie de Kynch : L'hypothèse fondamentale de Kynch est que la vitesse de chute d'une particule dépend uniquement de la concentration locale en particules. Si l’on verse dans une éprouvette, une suspension de concentration élevée, on observe les phénomènes suivants (figure 7) :

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Figure 7 : Évolution de l’aspect d’une suspension en sédimentation dans une éprouvette

au départ les gros grains sédimentent rapidement et se déposent sur le fond de l’éprouvette (zone a).La hauteur de cette zone augmente rapidement et se stabilise après la décantation des sables de dimension supérieure à 0,1 mm ; ensuite, il apparaît rapidement, et parfois immédiatement, une interface entre un liquide clair (zone b) et une phase boueuse. La phase boueuse peut être elle-même divisée en deux parties : une partie supérieure conservant l’aspect de la suspension de départ (zone c) et une zone inférieure d’aspect intermédiaire (zone d).





En traçant la hauteur de l’interface eau-boue au cours de temps on obtient une courbe de Kynch (figure 8)



Figure 8 : Allure générale d’une courbe de sédimentation La courbe présente quatre domaines :  domaine I : il correspond à la phase de coalescence des flocons ; la surface de séparation est plus ou moins nette. Cette phase est parfois inexistante si la floculation est rapide ; 

domaine II : une partie rectiligne qui traduit une vitesse de chute constante Vo



domaine III : ce tronçon , concave vers le haut, correspond à un ralentissement progressif de la vitesse de chute. Traitement des eaux potables/ Dr. F. AMMOUR/ Hydraulique Urbaine/ ENSH

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domaine IV : à partir du point c, les flocons se touchent en exerçant une compression sur les couches inférieures de boues. Le domaine IV est appelée zone de compression et le point c est le point de début de compression. Le phénomène de consolidation est relativement lent, ce qui entraîne une vitesse de chute presque nulle.

III.6 Différents types de décanteurs : Décanteurs statiques (simples ou lamellaires) : On trouve de nombreux types de décanteurs, circulaires ou rectangulaires, raclés ou non raclés, précédés ou non d’un floculateur ; les plus récents peuvent en outre être garnis d’un dispositif de décantation lamellaire (plaques ou tubes, inclinés à 60o sur le plan horizontal), pour tenter d’augmenter la vitesse de passage qui, sans cela, ne pouvait dépasser : 1,5 m3. h–1. m–2 sur la surface de décantation (surface des floculateurs non comprise). III.6.1 Décanteur à flux horizontal Ils sont moins répandus car ils sont moins économiques (système de raclage des boues plus complexe ; répartition de l’eau en tête plus difficile) mais ils permettent de gagner de la place quand ils sont plusieurs.

1 - Arrivée d'eau brute. 2 - Pont racleur. 3 - Sortie d'eau décantée 4 - Reprise des flottants. 5 - Évacuation des boues

Figure 9 : Décanteur longitudinal à pont racleur III.6.2 Décanteurs à flux vertical : Ce sont des ouvrages de forme conique, dans lesquels l'eau suit un trajet vertical. On rencontre:  Des décanteurs dits statiques,  Des décanteurs à circulation de boues,  Des décanteurs à lit de boues. III.6.2.1 Décanteurs à flux vertical cylindro-coniques : Utilisés pour les petits débits (< 20 m3/h), spécialement dans le traitement des eaux résiduaires industrielles. La pente de la partie conique est comprise entre 45° et 65° ; le diamètre est limité à 6 ou 7m. Il faut noter que le raclage de boues s’impose dès que la surface de décantation dépasse 30 à 40 m2.

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Figure 10 : Décanteur statique à flux vertical III.6.2.2 Décanteurs à recirculation de boues: Ils favorisent un bon contact de l’eau et des boues par recyclage de tout ou partie des boues dans une colonne centrale de réaction. D’autre part, le rassemblement des flocons permet une sédimentation plus rapide.

Figure 11 : Décanteur circulator

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III.6.2.3 Décanteurs à lit de boues : Ce type d’appareil est surtout représenté par le Pulsator (le plus répandu) dans lequel l’eau à clarifier traverse verticalement le lit de boues qui joue un rôle de filtre fluidisé très efficace (figure 12). Les pulsations garantissent la bonne floculation et l’homogénéité du lit de boues. Le remplissage de la cloche se fait en 30 à 40 secondes et la chasse d’eau 7 à 15 secondes À surface de décantation égale, la vitesse autorisée est souvent 2 à 3 fois celle d’un appareil statique (soit 3 à 5 m3.h-1.m-2).

Figure 12 : Décanteur Pulsator III.6.2.4 Décanteurs lamellaires à lit de boues : L’adjonction de dispositifs lamellaires au principe de base du Pulsator a donné naissance à une famille d’appareils: - Pulsatube (figure 13) : tubes inclinés, placés au-dessus du lit de boues ; - Superpulsator (figure 14) : plaques inclinées munies de déflecteurs, placées au sein du lit de boues. Dans les deux cas, on peut atteindre une vitesse ascensionnelle double de celle d’un Pulsator classique fonctionnant dans les mêmes conditions, soit 6 à 10 m3.h–1.m–2.

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DECANTATION Figure 13 : Décanteur Pulsatube

Figure 14 : Décanteur Superpulsator III.6.3 Décanteurs lamellaires : La décantation lamellaire consiste à augmenter la surface de décantation sans augmenter l’espace, en ajoutant des paliers inclinés (plaques ou tubes). Le but des lamelles est de multiplier dans un meme ouvrage, les surfaces de separation Eau-Boues La vitesse limite ou de Hazen dans un élément est donnée par:

SL : surface d’une lamelle Ɵ : angle d’inclinaison et n : nbre de lamelles Trois types de décantation lamellaire existent: -

Co courant: l’écoulement et la décantation se font dans le même sens

-

Contre courant : écoulement se fait au sens contraire de la décantation

-

Courant croisé: écoulement perpendiculaire à la décantation

e: distance orthogonale entre 2 lamelles Le choix de type de décantation lamellaire: La décantation à contre Courant est la plus éfficace et la plus utilisée. Dans la décantation à co-courant il est difficile de collecter l’eau traitée.

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