Décantation - Equipements Et Procédés [PDF]

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Décantation - Équipements et procédés Par : Pierre BLAZY Professeur à l'Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL), Directeur du Centre de Recherche sur la Valorisation des Minerais (CRVM), Laboratoire Environnement et Minéralurgie (LEM) - CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL)

El-Aïd JDID Docteur ès Sciences, Ingénieur de Recherche au CRVM, LEM - CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL)

Jean-Luc BERSILLON Doctor of Philosophy, Professeur à l'INPL - LEM UMR 75-69 (ENSG-INPL)

Ce dossier fait partie de la base documentaire Procédés de traitement des eaux potables, industrielles et urbaines dans le thème Technologies de l'eau et dans l’univers Environnement - Sécurité

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Décantation Équipements et procédés par

Pierre BLAZY Professeur à l'Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL) Directeur du Centre de Recherche sur la Valorisation des Minerais (CRVM) Laboratoire Environnement et Minéralurgie (LEM) - CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL)

El-Aïd JDID Docteur ès Sciences Ingénieur de Recherche au CRVM, LEM - CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL) et

Jean-Luc BERSILLON Doctor of Philosophy Professeur à l'INPL - LEM UMR 75-69 (ENSG-INPL)

1. 1.1

1.3

Équipements............................................................................................... Décanteurs d'ultrafines en suspensions diluées ....................................... 1.1.1 Décantation statique ........................................................................... 1.1.2 Décantation accélérée ......................................................................... Décanteurs-épaississeurs de suspensions concentrées ........................... 1.2.1 Décanteurs circulaires classiques ...................................................... 1.2.2 Décanteurs circulaires à étages.......................................................... 1.2.3 Décanteurs circulaires à courants antagonistes ............................... 1.2.4 Décanteurs rectangulaires .................................................................. Décanteurs-classificateurs ...........................................................................

2. 2.1 2.2 2.3

Procédé de lavage à contre-courant .................................................. Principe du lavage à contre-courant ........................................................... Détermination de la surface de décantation .............................................. Calcul du nombre d’étages et coefficient de lavage..................................

— — — —

9 9 9 10

3. 3.1

Contraintes industrielles ........................................................................ Pulpes concentrées ...................................................................................... 3.1.1 Caractéristiques des pulpes................................................................ 3.1.2 Débit et volume ................................................................................... 3.1.3 Vitesse d’extraction des boues de la sous-verse .............................. 3.1.4 Pompes................................................................................................. 3.1.5 Floculants ............................................................................................. 3.1.6 Contrôle et sécurité ............................................................................. 3.1.7 Maintenance et pannes....................................................................... Pulpes diluées............................................................................................... 3.2.1 Coagulants et floculants ..................................................................... 3.2.2 Contrôle................................................................................................ 3.2.3 Entretien ...............................................................................................

— — — — — — — — — — — — —

10 10 10 10 10 10 11 11 12 12 12 12 12

Critères de choix d’un matériel ............................................................ Pulpes concentrées ...................................................................................... Pulpes diluées............................................................................................... 4.2.1 Charge hydraulique............................................................................. 4.2.2 Flux massique......................................................................................

— — — — —

13 13 13 13 13

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1.2

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3.2

4. 4.1 4.2

Pour en savoir plus ...............................................................................................

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J 3 451 - 2 — 2 — 2 — 3 — 6 — 6 — 7 — 7 — 8 — 8

Doc. J 3 452

J 3 451 - 1

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DÉCANTATION

________________________________________________________________________________________________________________________

L

e choix d’un équipement et d’un procédé de séparation solide/liquide par décantation, tient compte de plusieurs considérations, notamment de la concentration de la suspension (suspension diluée, suspension concentrée), de la dimension et de la nature des particules (particules grenues, floculées...), de la fonction recherchée (clarification, épaississage), des débits à traiter.

Avant de lire ce texte, le lecteur est invité à prendre connaissance de l’article J 3450 Décantation. Aspects théoriques.

1. Équipements Bien qu'il s'agisse fondamentalement d'équipements voisins adaptés à une fonction précise, il paraît nécessaire de distinguer les décanteurs de matières en suspension, ultrafines et diluées, dont la concentration s'exprime en mg/L, et les décanteurs de matières d'origine essentiellement minérale, dont la concentration s'exprime en g/L. Dans les deux cas, les équipements font appel à la sédimentation des solides dans l'eau.

un temps de séjour égal à (CbVb )/Md. Ce temps de séjour est aussi appelé « âge des boues » dans la gestion des procédés d'épuration (boues activées, bioréacteurs). Si le décanteur est à recirculation de boues ou à lit de boues, il est donc important de connaître la concentration limite des boues et le comportement hydraulique du décanteur pour déterminer leur âge. En clarification, deux techniques principales sont mises en œuvre : la décantation statique et la décantation accélérée.

1.1.1 Décantation statique

1.1 Décanteurs d'ultrafines en suspensions diluées

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Ces appareils sont utilisés principalement dans le traitement des eaux usées, domestiques ou industrielles, et des eaux potables, dont les composés sont : — des matières minérales (sables, limons, argiles...) ou organiques (acides humiques ou fulviques résultant de la matière organique, micro-organismes). Ces substances sont responsables de la turbidité et de la couleur, et leur dimension est supérieure au micromètre ; — des matières colloïdales de même origine que les précédentes, mais d'une taille inférieure au micromètre. Elles sont également génératrices de turbidité et de couleur ; — des matières dissoutes, de dimensions inférieures à quelques nanomètres et qui nécessitent un traitement spécifique suivant leurs espèces (oxydation, précipitation, coagulation-floculation).

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Un décanteur-clarificateur est généralement caractérisé par le temps de séjour des boues et leur concentration limite. Le temps de séjour est obtenu en faisant le bilan matière du décanteur. Si Md désigne le débit massique des particules décantables dans l'appareil, qui rentrent à une concentration C0, le flux Md étant un invariant dans le système, seule la concentration de ces particules va changer dans le procédé. En effet, dans la surverse du décanteur, la concentration des particules est en principe nulle ; par contre Md est entièrement concentré dans la sous-verse (ou boues). Ainsi, si Qb désigne le débit volumique de la sous-verse, la concentration des boues Cb est simplement égale au rapport du débit massique sur le débit volumique, soit :

M C b = -------dQb Cette concentration est au plus une concentration limite des boues. Si le soutirage de la sous-verse est insuffisant, les boues vont alors occuper de plus en plus de place et peuvent se retrouver dans la surverse, compromettant ainsi l'efficacité de l'opération de clarification. Le choix de la concentration et du volume des boues conditionne donc entièrement leur temps de séjour moyen, puisque le décanteur contient une masse (CbVb ) de boues, qui ont en moyenne

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Ce mode de décantation s'applique surtout au cas du dessablage et du traitement des eaux pluviales caractérisées par des suspensions de fines particules en faible concentration. On a souvent recours au préalable à une étape de coagulation. Les appareils combinent alors les fonctions de conditionneur et de clarificateur. Ils sont cylindriques et la plupart d'entre eux sont munis d'un équipement de raclage ou de herses pour assurer ou améliorer la récupération et l'épaississement des boues. Leur conception générale est relativement identique d'un décanteur à l'autre. Le principe fait appel à une répartition de la suspension à décanter à partir d'une unité centrale munie d'une jupe de répartition. L'effluent décanté est récupéré à la périphérie alors que les boues sont extraites dans un puits central. Les différents types de décanteurs se distinguent selon les domaines d'application et selon les dimensions minimales et maximales des appareils. Il en est ainsi par exemple des appareils Degrémont : — type CPM (figure 1), pour la clarification, l'épaississage et le stockage de faibles débits de boues ; — type CPB (figure 2), pour la clarification de liquides très chargés en matières en suspension (MES) et l'épaississage de boues dans des ouvrages d'environ 20 m de diamètre ; — type CFS (figure 3), pour la décantation de liquides très chargés en MES et l'épaississement de boues, pour des diamètres supérieurs à 20 m. Quelques caractéristiques de ces appareils sont données dans le tableau 1.

Tableau 1 – Caractéristiques dimensionnelles des clarificateurs - épaississeurs et des décanteurs épaississeurs Degrémont CPM, CPB et CFS Caractéristiques

Clarificateurépaississeur CPM

Clarificateurépaississeur CPB

Décanteurépaississeur CFS

Diamètre ...... (m)

2,5 à 7

5 à 20

26 à 70

Surface ....... (m2)

4,9 à 38,5

19,6 à 314

516 à 3 800

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________________________________________________________________________________________________________________________ DÉCANTATION

1.1.2 Décantation accélérée Déversoir de collecte Colonne centrale du liquide surnageant d'entraînement (surverse)

Tête d'entraînement Canalisation d'alimentation

Passerelle

0,3 m Jupe de répartition

Cuve

3m

Raclage de fond Lames d'épaississage

90¡ D

Sortie boues épaissies (sous-verse)

Passerelle

Tête d'entraînement Déflecteur de mousse

Canalisation d'alimentation

Jupe de répartition

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Sortie des boues

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Colonne centrale Raclage d'entraînement de fond Râteaux de la fosse à boues

Lames d'épaississage

Figure 2 – Coupe verticale du clarificateur-épaississeur CPB (Degrémont)

Jupe Canalisation Raclage de répartition Tête de l'alimentation de surface Passerelle d'entraînement Cage Cloison déversoir d'entraînement (surverse)

Herses de fosse à boues Pompe de refoulement des boues (sous-verse) D

La plupart des appareils assurent tout ou partie de l'opération de coagulation-floculation soit parce que celle-ci est assurée in situ, comme dans le cas des décanteurs à lits de boues, soit parce qu'ils sont combinés aux appareils de floculation, comme dans le cas des décanteurs lamellaires à plaques ou à tubes. 1.1.2.1 Décanteurs à lits de boues et à recirculation de boues

Figure 1 – Coupe verticale du clarificateur-épaississeur CPM (Degrémont)

Raclage de surface

La décantation accélérée est particulièrement utilisée dans le traitement des eaux destinées à la consommation humaine, ou en prétraitement avant un traitement poussé pour certaines eaux industrielles. Elle est appliquée à des suspensions très diluées (quelques milligrammes à quelques centaines de milligrammes par litre). Les solides en suspension sont généralement très divisés et demandent un prétraitement par coagulation-floculation. Pour accélérer la décantation, on peut alourdir les flocs en ajoutant à la suspension des particules fines de masse volumique élevée. Cet ajout est effectué au cours du processus de coagulation-floculation, et les particules sont alors incorporées aux flocs.

Raclage de fond

Figure 3 – Coupe verticale du décanteur-épaississeur CFS (Degrémont)

Le principe de ces appareils vise à favoriser la formation de particules plus grosses, qui décantent plus rapidement, en mélangeant des boues déjà décantées à la suspension à décanter, préalablement conditionnée avec un coagulant et éventuellement un floculant. Les décanteurs à lit de boues fonctionnent par injection uniforme de la suspension à la base de l'ouvrage, au moyen d’une série de tuyaux perforés. Les boues sont maintenues en suspension comme dans un lit fluidisé. Les particules de la suspension à traiter rencontrent les particules du lit de boues et s'y agrègent. Les boues sont récupérées par un siphon qui joue le rôle de régulateur de la hauteur de leur lit. Dans cette classe, on trouve notamment le Pulsator (Degrémont), dont le schéma de principe est donné dans la figure 4. Cet appareil et ses variantes se distinguent par le fait que la suspension à traiter est pulsée, c'est-à-dire que, périodiquement, elle est accélérée pendant un court instant. Une autre variante des décanteurs à lit de boues est le Clariflux de Neyrtec (figure 5), qui est un décanteur entièrement statique composé de trois parties : un floculateur, un clarificateur et un concentrateur de boues. Par une réduction des vitesses, les flocons rentrent en contact à l'intérieur du lit de boues, ce qui permet d'augmenter leur masse volumique apparente et, par conséquent, leur vitesse moyenne de sédimentation. Ce type d'appareil permet de traiter 10 à 25 m3 · m-2 · h-1 pour des diamètres de 0,8 à 6,5 m. La concentration en matières solides des boues extraites est de 20 à 30 % .

Concentrateurs de boues

Extraction des boues (sous-verse) Vidange

Cloche à vide

Alimentation Tranquillisateurs Ramifications de distribution de l'alimentation Collecte de reprise d'eau traitée (surverse)

Figure 4 – Vue en perspective du décanteur à lit de boues Pulsator (Degrémont)

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DÉCANTATION

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Alimentation Réacteur Agité

Décanteur

Piston

Épaississeur

Polymère Coagulant

Eau brute

Eau traitée

Clarificateur

Floculateur

Sortie eau clarifiée (surverse)

Recirculation

Boues

Figure 6 – Coupe verticale du décanteur à recirculation de boues Densadeg (Degrémont)

Volume (mL) 250

Concentrateur

200 150

Éprouvette verticale

100

Sortie boues (sous-verse) Figure 5 – Coupe verticale du clarificateur-épaississeur à lit de boues Clariflux (Neyrtec)

q

Éprouvette inclinée

50

0 0

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Les décanteurs à recirculation de boues font appel au même principe fondamental. La suspension à décanter est mélangée dans un réacteur séparé avant d'entrer dans la zone de l'appareil où s'effectue la décantation proprement dite. Ce principe est utilisé dans le Densadeg de Degrémont (figure 6). Les ajouts successifs à l'eau à traiter sont le coagulant, ensuite les boues recyclées, enfin des polymères floculants, directement dans la chambre de floculation.

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Les débits d'eaux traitées, appelés encore charge hydraulique dans la zone de décantation, sont compris entre 20 et 100 m3 · m-2 · h-1 suivant les applications. On peut avec cette technique obtenir des boues particulièrement concentrées (de 20 à 700 g/ L de matières sèches). 1.1.2.2 Décanteurs à plaques et tubes La décantation en tubes ou entre plaques inclinés est plus rapide que la décantation classique. En effet, les boues se forment assez rapidement sur la génératrice inférieure d'un tube ou sur les plaques d'un faisceau de plaques parallèles, puisque les particules suivent un chemin relativement court pour y parvenir (figure 7). L’angle d’inclinaison sur l'horizontale q, assurant le glissement des boues, et donc leur évacuation, est un paramètre capital car il ne faut pas atteindre des vitesses à partir desquelles le régime devient turbulent, pour éviter la remise en suspension des particules. En principe, les plaques sont inclinées à 45 ou à 60° et leur écartement est de l'ordre de 10 cm. Des modules à tubes prismatiques ou à plaques

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5

10 15 Temps (min)

Figure 7 – Vitesses de sédimentation dans une éprouvette verticale et dans une éprouvette inclinée

sont parfois introduits dans les décanteurs à lit de boues, afin d’en améliorer les performances. Les décanteurs utilisant des plaques et des tubes réalisent donc une décantation lamellaire, qui consiste à multiplier, dans un même décanteur, la surface de séparation eau-boues, en créant, dans une même zone de décantation, un grand nombre de cellules de séparation. Si Q est le débit de la suspension, SL la surface élémentaire de chaque élément et n le nombre de lamelles, la vitesse limite de décantation Ulim par élément s'écrit :

Q U lim = ---------------------------n S L cos q En considérant la longueur de la lamelle (L), sa largeur ( œ), et l'écartement (e) de deux lamelles voisines, on a : — pour un système à contre-courant (boues et eau circulant en sens inverse) :

Q U lim = --------------------------------------------------------n œ ( L cos q + e sin q )

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________________________________________________________________________________________________________________________ DÉCANTATION

Tuyauterie de mise Extraction sous vide Goulotte des boues des siphons de départ par siphon Tuyauterie d'eau décantée générale d'extraction Concentrateur des boues de boues

Ventilateur

Chambre à vide

Arrivée d'eau brute (alimentation)

Sortie eau décantée (surverse)

Sortie boues (sous-verse)

Tuyauteries perforées de répartition

Tuyauteries perforées de reprise d'eau décantée

Plaques

— pour un système à cocourant (boues et eau circulant dans le même sens) :

Q U lim = -----------------------------------------------------------n œ ( L cos q - e sin q ) — pour un système à courants croisés (boues et eau circulant perpendiculairement) :

Q U lim = -----------------------------n œ L cos q

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En réalité, il faut affiner ces modèles en tenant compte des contraintes hydrauliques et de l'évacuation des boues.

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La décantation à contre-courant permet le traitement le plus fiable et le plus simple ; la décantation à cocourant résout mal la reprise de l'eau décantée et la décantation à courants croisés se heurte à des difficultés de répartition des flux. La mise en place des plaques est délicate, car les supports et les entretoises perturbent l'hydrodynamique des écoulements, d'autant plus que l'on est tenté de diminuer les distances entre plaques pour augmenter la surface. Aussi utilise-t-on, en remplacement des plaques, des faisceaux de tubes de section circulaires, carrées ou hexagonales, ces derniers ayant l'efficacité hydraulique la plus grande. Plaques et tubes sont le plus souvent utilisés dans les décanteurs pour atteindre une meilleure qualité des eaux, puisque ces systèmes permettent de capturer des particules plus fines qu'en décantation classique. On trouve par conséquent ces dispositifs dans pratiquement tous les appareils utilisant la décantation accélérée, où ils sont réputés comme permettant d'atteindre un traitement poussé de l'effluent. C'est par exemple le cas du Pulsator lamellaire de Degrémont, qui se différencie du Pulsator classique de la figure 4 par le fait que des plaques ou tubes sont placés au-dessus du lit de boues. Il en résulte ainsi soit une amélioration de la vitesse de décantation, soit une meilleure qualité de l'eau décantée pour une même vitesse de sédimentation.

Figure 8 – Vue en perspective du décanteur lamellaire Superpulsator (Degrémont)

Une autre variante est le Superpulsator pour lequel les plaques sont installées directement dans le lit de boues (figure 8). Leur effet est complété par des déflecteurs permettant une meilleure floculation. Cet appareil permet de traiter des débits de 6 à 12 m3 · m-2 · h-1, soit le double de celui d'un appareil classique. 1.1.2.3 Décanteurs spéciaux

1.1.2.3.1 Décanteurs à flocs alourdis Ils permettent de traiter des suspensions dont la vitesse de sédimentation, après coagulation-floculation, est trop faible pour être décantées dans les appareils précédents. Leur principe de base consiste à lester les flocs avec des alourdisseurs. Ces alourdisseurs sont récupérés, après décantation, par cyclonage des boues, comme dans le procédé Actiflo de la société OTV (figure 9), qui utilise un appareil comportant trois réacteurs où sont ajoutés simultanément ou successivement, un coagulant et l'alourdisseur, additionnés ou non d'un polymère floculant. L'appareil est utilisé aussi bien pour la décantation des eaux destinées à la consommation humaine que pour le traitement des eaux pluviales. Il existe deux versions qui se différencient par le point d'adjonction de l'alourdisseur. Les débits traités par ces appareils sont de 40 à 60 m3 · m-2 · h-1 pour le traitement des eaux potables et de 130 m3 · m-2 · h-1 pour le traitement des eaux pluviales. 1.1.2.3.2 Décanteurs combinés Ce type de décanteurs a été mis au point afin de gagner en encombrement. Les fonctions assurées sont éventuellement la coagulation-floculation. Par contre, il existe des décanteurs « sans réactifs » assurant la décantation simple des particules les plus lourdes (dessablage), la flottation des graisses et colloïdes hydrophobes et la décantation tubulaire des particules les plus fines. C'est le cas du Sédipac de Degrémont (figure 10), qui permet de gagner environ 20 % sur la surface au sol par rapport à la surface nécessitée par un arrangement d'appareils assurant chacun une fonction séparée.

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DÉCANTATION

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Boues Vers épaississement

Sable + boues

Polymère FeCl3

Eau décantée

Eau dégrillée

Coagulation Injection Maturation Décantation Floculation Figure 9 – Coupe verticale du décanteur à flocs alourdis Actiflo (OTV)

Recirculation

Dégraissage : fines bulles Dessablage : Prédécantation désenrobage Graisses

Décantation : finition Eau traitée Modules

Eau brute

Boues Sable Flux principaux

Courants locaux

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1.2 Décanteurs-épaississeurs de suspensions concentrées

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Ils sont principalement utilisés dans l'industrie chimique et dans le traitement des minerais. Dans ce dernier cas, leur action principale consiste à épaissir les rejets des opérations d'enrichissement pour récupérer de l'eau, qui est recyclée, et pour épaissir les solides afin d'assurer leur épandage dans des ouvrages de type digue-bassin de rétention. Néanmoins, certains d'entre eux conviennent comme clarificateurs d'eaux usées. Le principal désavantage d'un épaississeur de type conventionnel est la grande surface au sol qu’il nécessite, tandis que sa profondeur est de moindre importance. Différentes dispositions visant à réduire la surface de l'appareil, et donc son encombrement, ont été imaginées.

1.2.1 Décanteurs circulaires classiques Ils comportent les éléments suivants (figure 11) : — la cuve avec une goulotte périphérique pour recueillir la surverse, qui est évacuée par débordement, et un orifice central ménagé à sa base pour évacuer les sédiments ;

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Figure 10 – Coupe verticale du décanteur combiné Sédipac 3D (Degrémont)

— la chambre d'alimentation consistant en un cylindre recevant la pulpe à traiter. Elle peut être pourvue de dispositifs servant à la floculation ; — le mécanisme de raclage, dont le rôle est d'entraîner les solides décantés vers l'orifice d'évacuation par un mouvement de rotation lente des râteaux. À cette action principale s'ajoute un effet de consolidation des boues qui augmente leur concentration en solides. Le mécanisme de raclage est entraîné par une tête de commande située sur la colonne centrale ou sur une poutre reposant sur la cuve, ou encore par un chariot roulant sur le bord de la cuve, qui entraîne une poutre dans un mouvement circulaire communiquant elle-même le mouvement de rotation à la colonne centrale. Afin de permettre la construction d'épaississeurs de grand diamètre ( > 75 m ), pouvant épaissir des suspensions thixotropiques, corrosives et incrustantes, telles qu'on les rencontre dans les industries chimiques et minérales (Alumine procédé Bayer, papeterie...), différents dispositifs de raclage peuvent être utilisés : — bras diamétral placé au-dessus des boues qui tire les bras de raclage à l'aide de câbles (figure 12). C'est le cas, par exemple, du système CableTorq de Dorr-Oliver ; — lames montées sur des tiges fixées aux bras de raclage et placées au-dessus de la zone de compression (figure 13) Dans l'épaississeur Hi-Capacity (Eimco) la pulpe est d'abord introduite dans une chambre de mélange multiétages où le floculant est

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Alimentation en floculant

Gouttière de la surverse

Alimentation en pulpe

Sortie surverse Volant de relevage

Râteaux

a

Niveau du liquide (surverse)

Niveau de pulpe

Passerelle

vue de dessus

Volant de relevage

Gouttière de la surverse

Mélangeur

Passerelle Bras de raclage

Arbre

Alimentation Râteaux

Chambre d'alimentation

Surverse

Pompe de soutirage de la sous-verse Figure 14 – Coupe verticale du décanteur-épaississeur Hi-Capacity (Eimco)

Sous-verse

b

coupe verticale

Figure 11 – Schéma d’un décanteur circulaire classique

Niveau du liquide

Mécanisme de commande

Tuyauterie d'alimentation Indicateur de niveau Passerelle des bras

Cylindre d'alimentation

1.2.2 Décanteurs circulaires à étages Câbles tracteurs

Surverse

Colonne centrale avec diffuseur

Cage centrale

Bras de raclage

Lames de raclage

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Câbles Goulotte porteurs annulaire de décharge

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ajouté et rapidement dispersé, afin d'assurer son mélange avec la pulpe (figure 14). L'alimentation est ensuite réalisée au-dessous de la ligne de démarcation entre les boues et le liquide clair. Les solides sédimentés sont ramenés par un mécanisme classique de raclage vers le cône de décharge des boues. Ce type d'épaississeur est utilisé aussi bien dans les usines de concentration de minerais que dans les usines de traitement des eaux (Keane, 1982).

Figure 12 – Coupe verticale d’un décanteur à traction par câbles

Bras support

Les épaississeurs à étages sont utilisés quand de grandes surfaces de clarification doivent être installées sur une petite surface au sol. Ils servent en particulier à séparer les particules solides des jus troubles en sucrerie de betterave et des jus bruts en sucrerie de canne. La cuve de l'épaississeur peut avoir jusqu'à cinq plateaux intermédiaires (figure 15). Les compartiments peuvent être alimentés en série ou en parallèle. On peut aussi utiliser ce type d'appareil dans le lavage à contre-courant. Les mécanismes de raclage des différents étages sont commandés par la même tête de commande fixée au milieu d'un pont-support, placé au-dessus de la cuve.

1.2.3 Décanteurs circulaires à courants antagonistes Ils sont munis de cylindres d'alimentation qui favorisent l'agglomération, tout en diminuant la vitesse d'arrivée de la suspension et en assurant sa répartition dans la zone de clarification. Le cylindre Fitch développé par Dorr-Oliver comporte trois anneaux horizontaux à l'intérieur (figure 16). L'alimentation est partagée en deux flux qui pénètrent tangentiellement dans le cylindre. La rencontre des deux courants de sens opposés brise l'énergie cinétique de la suspension, et la turbulence favorise la floculation des particules solides, ce qui augmente la vitesse de sédimentation.

Tiges

Lames de raclage Fosse à boues Figure 13 – Schéma de dispositif de raclage par des lames fixées aux bras par des tiges (Dorr-Oliver)

Un autre exemple est celui du décanteur-épaississeur de EnviroClear Corporation, pour lequel l'alimentation floculée arrive verticalement par le bas et est répartie horizontalement dans le lit de boues (figure 17).

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J 3 451 - 7

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DÉCANTATION

________________________________________________________________________________________________________________________

Boîte d'alimentation

Ajustage des surverses

Alimentation Cylindre d'alimentation

Boîte de surverse

A A

B

B

C

C

D

D

Sortie surverse

Dispositif de repérage du niveau des boues Sortie sous-verse

Pression d'eau ou d'air pour débouchage Figure 15 – Coupe verticale d’un décanteurépaississeur à étages

A, B, C et D : compartiments successifs (étages)

1.2.4 Décanteurs rectangulaires Cylindre d'alimentation

Alimentation

La cuve a une section rectangulaire au lieu d'être circulaire. L’alimentation se fait à une extrémité de la cuve et est floculée dans un premier compartiment. La sous-verse est évacuée mécaniquement par un mécanisme de raclage à travers un orifice placé dans un deuxième compartiment, la surverse étant récupérée par débordement. Ce type d'appareil est peu utilisé dans l'industrie minière mais convient bien au traitement des eaux.

Anneau

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Figure 16 – Schéma du cylindre d’alimentation Fitch pour décanteurs-épaississeurs à courants antagonistes (Dorr-Oliver)

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1.3 Décanteurs-classificateurs Chambre de répartition horizontale de l'alimentation Niveau supérieur de la couche de compression Surverse Bras de raclage Alimentation

Sous-verse Figure 17 – Coupe verticale du décanteur-épaississeur à courants antagonistes (Enviro-Clear)

J 3 451 - 8 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 - cerist // 193.194.76.5

Le principe de ces appareils consiste à associer un décanteur de sables fins et un classificateur mécanique à râteaux collecteur des grains grossiers. Ce dernier, placé sur le côté d'une cuve circulaire comme dans le cas du Détritor Dorr-Oliver, collecte les sables de dimension supérieure à 150 mm, qui sédimentent sur le fond et sont ensuite évacués par raclage. La surverse du classificateur passe ensuite dans la cuve circulaire et est répartie par un système de grilles verticales et de déflecteurs ayant pour but d'assurer un écoulement calme dans le décanteur. Un mouvement de rotation est imprimé par deux bras munis de lames et de racleurs périphériques vers la décharge centrale, tandis que les effluents liquides sont recueillis par débordement. Il existe d'autres combinaisons de décanteurs-classificateurs, notamment celles qui consistent, par exemple, à cycloner la pulpe avant épaississage et à ne traiter dans l'épaississeur que les solides fins contenus dans la surverse du cyclone.

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2. Procédé de lavage à contre-courant

Sens de déplacement des liquides clairs (surverses, L) Eau de lavage

S (n – 1)

Une opération industrielle fréquente, notamment en hydrométallurgie ou en préparation des matières premières solubles, est le lavage des solides ou résidus de mise en solution (lixiviation) des espèces valorisables (solutés). Le but est d'obtenir des résidus exempts de solutés, afin d’en minimiser les pertes, et d'extraire des solutions clarifiées aussi concentrées que possible en solutés. La décantation est une méthode efficace quand la vitesse de sédimentation des solides est suffisamment élevée. L'opération est effectuée dans une chaîne de lavage par décantation fonctionnant généralement à contre-courant dans une série d'épaississeurs unitaires ou dans un épaississeur à étages.

Vers étage (n – 1)

Sn ne Alimentation

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La suspension, issue de l'atelier de lixiviation dynamique du métal ou du sel soluble, alimente d'abord un premier décanteur, qui donne une surverse constituée de liquide clair riche en soluté et une sous-verse consistant en une pulpe dont la concentration massique en solides varie de 20 à 60 %. Cette sous-verse, imprégnée de la solution de lixiviation, doit donc être lavée pour récupérer aussi bien le soluté que les agents de lixiviation. En hydrométallurgie, les rendements de récupération du soluté sont généralement de l'ordre de 95 à 99,5 %. Le lavage de la sous-verse du premier décanteur se fait ensuite en plusieurs étapes successives de repulpage et de décantation, comme le montre la figure 18. Les sous-verses et les surverses des différents décanteurs, mis en série, se déplacent en sens contraire : les solides (Si) vont en s'appauvrissant en solution de lixiviation (en soluté et en agent de lixiviation) en passant du premier décanteur au dernier décanteur, et les solutions (liquides clairs, Li) vont en s'enrichissant en soluté et en agents de lixiviation, à mesure qu'elles progressent du dernier décanteur, où l'on ajoute l'eau de lavage, vers le premier décanteur. Notons que pour ne pas diluer la surverse du premier décanteur (solution riche en soluté), la surverse du deuxième décanteur peut être envoyée directement à l'atelier de lixiviation, ce qui permet aussi de recycler l'agent de lixiviation, et que l'eau de lavage introduite dans le dernier décanteur peut être additionnée à la solution issue du bassin de décantation recevant la sous-verse de ce décanteur, afin de minimiser la consommation en eau.

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La remise en suspension des boues épaissies a lieu dans des réacteurs à agitation rapide, pendant une durée de l'ordre d'une quinzaine de minutes, et la décantation est effectuée dans des épaississeurs circulaires classiques. Les surverses et les sous-verses sont véhiculées par des pompes à vitesse variable pour maintenir le système en équilibre. Les éléments nécessaires à l'élaboration d'une chaîne de lavage sont : — la vitesse de clarification des suspensions mises à décanter ; — la concentration en solides des boues en fonction du temps et du débit traité par unité de surface. Lorsque l'on opère en continu, pour une composition constante de la suspension alimentant l'épaississeur, la concentration des boues extraites varie avec le débit d'alimentation. Dans ce cas, il est nécessaire d'acquérir les données à partir d'un montage expérimental constitué par un décanteur cylindrique (tube de 1,50 m de haut et de 102 mm de diamètre), pourvu d'une base conique et muni d'un agitateur qui brasse les boues. Le tube est alimenté par une pompe péristaltique à débit variable à partir d'un récipient agité (Rivet, 1981). Si nécessaire, le floculant est alimenté de façon identique. Le soutirage est fixé à un niveau tel que le débit d'extraction corresponde à un tassement minimal. On effectue la mesure de tassement

étage

L3

L2 S2 L1

2.1 Principe du lavage à contre-courant

Ln

S1

2e étage

Vers étage 3

1er étage Sens de déplacement des solides (sous-verses, S)

S : sous-verses (solide lavé-décanté) L : surverse (liquide clair) Figure 18 – Schéma de lavage à contre-courant par décantation

lorsque l'on atteint l'équilibre, c'est-à-dire lorsque le bilan entréesortie dans le décanteur est constant. La relation entre le tassement obtenu E (en g/L de solide par litre de boue extraite) et le débit spécifique d'alimentation Q (en kg de solide par m2 de surface de décantation) s'écrit (A et B étant des constantes) :

E = A lg Q + B Le temps de séjour dans le réacteur agité est évalué comme le temps nécessaire pour que la concentration en soluté de la surverse du décanteur j, alimenté par les boues de décantation de l'appareil j -1 et par la surverse de l'appareil j +1, reste constante. En général, le temps de séjour nécessaire au mélange est inférieur à 10 min.

2.2 Détermination de la surface de décantation Étant donné que l'on désire une clarification poussée pour toutes les conditions de marche de l'installation (variation rapide du débit pouvant atteindre 25 %, variation dans le dosage du floculant, augmentation de la capacité...), on prend, pour le calcul de la surface du décanteur, une vitesse de clarification égale à la moitié de celle mesurée. Cette vitesse U, la quantité de solides à traiter et la quantité d'eau de lavage utilisée permettent de calculer la surface d'un décanteur. Pour le premier décanteur, si V,(a) est le volume de liquide dans la suspension provenant de la lixiviation (alimentation), V,(s) le volume de liquide dans les boues (sous-verse), V,(e) le volume d'eau de lavage, V,(L) le volume de liqueur clarifiée (surverse), on a le bilan matière suivant :

V,(L) = V,(e) + V,(a) - V,(s) On fixe arbitrairement une valeur de V,(s). La surface du décanteur étant S = V /U, on calcule alors le débit spécifique de solides (en kg · m-2 · h-1) et on en déduit le tassement correspondant E. À partir du tassement, on détermine la valeur de V,(s) que l'on compare à celle prise arbitrairement. Une itération rapide est effectuée pour approcher la valeur S.

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DÉCANTATION

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2.3 Calcul du nombre d’étages et coefficient de lavage Si l'on suppose une opération d'hydrométallurgie, on calcule la perte de métal (kilogrammes par tonne de solide traité) contenu dans le liquide de la sous-verse du dernier laveur par une formule issue du bilan d'un étage de lavage, à condition que l'eau introduite dans la chaîne de lavage ne contienne pas de métal. On définit ainsi un coefficient de lavage K, qui est le ratio du volume de liquide de la surverse sur le volume de liquide contenu dans les boues extraites (sous-verse) :

K = V,(L) / V,(s) En toute rigueur, il conviendrait d'utiliser un coefficient lié aux masses mais les volumes sont plus faciles à mesurer, aussi prendon une valeur K' = aK, avec 0,90 < a < 0,95 . En appelant Cm( j -1) la quantité de métal contenu dans le liquide des boues de l'étage ( j -1), K'( j +1) Cm(j +1) la quantité de métal contenu dans le liquide de la surverse de l'étage ( j +1), le bilan équilibré de l'étage j s'écrit : ( K ¢ j + 1 ) C m ( j ) = K ¢ ( j + 1 ) C m ( j + 1 ) + C m ( j -1 ) La perte de métal au dernier laveur peut alors s'exprimer en fonction de la quantité de métal Cm(0) entrant dans la chaîne de lavage, par la relation : 1 C m ( n ) = C m ( 0 ) ----------------------------------------------------------------------------------1 + K 1¢ + K 1¢ K 2¢ + ... + K 1¢ K 2¢ ... K n¢ Si K 1¢ = K 2¢ ... K n¢ = K ¢ on a :

K¢ Ð 1 C m ( n ) = C m ( 0 ) ---------------------------K¢(n + 1) Ð 1 Cm ( 0 ) Lorsque l'on cherche à atteindre des ratios --------------- > 10 3 , on consCm ( n ) tate qu'il faut un nombre d'étages supérieur au nombre d'étages théoriques, par suite de la rétention de métal due à l'adsorption superficielle.

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3. Contraintes industrielles

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3.1 Pulpes concentrées 3.1.1 Caractéristiques des pulpes La granulométrie des solides, leur masse volumique, leur concentration dans la pulpe, déterminent le couple de torsion d'un décanteur-épaississeur (tableau 2). La valeur du couple de torsion (T, en N · m) en fonction du diamètre des râteaux (D, en m) s'exprime par la relation :

T = kD2 Le facteur k (en N/m) dépend des caractéristiques de la suspension et de la surface de l'épaississeur. Le couple de torsion et la vitesse des râteaux déterminent la puissance du moteur. Les épaississeurs fonctionnent rarement au-dessus de 25 % de la valeur maximale calculée. La proportion de solides de dimension supérieure à 250 mm dans l'alimentation affectent non seulement le couple de torsion mais encore la pente du fond de l'épaississeur.

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3.1.2 Débit et volume Le débit de la sous-verse est généralement très inférieur à celui de la surverse, de sorte que, lorsque l'alimentation augmente brusquement, la qualité de la sous-verse est peu ou pas affectée, alors que celle de la surverse peut être profondément modifiée. Il en résulte que l'approximation qui consiste à faire le calcul de la surface à partir du débit d'alimentation est justifiée. L'approximation est corrigée par l'application de coefficients correcteurs [J 3 450, § 5.3.7] . Cependant, dans le cas où on veut obtenir des surverses très claires, on peut être amené à appliquer un coefficient correcteur de 1,6. Le volume des boues stockées est déterminé selon la procédure citée dans l’article [J 3 450, § 5.3.6] . Mais il n'en reste pas moins vrai que l'épaississement des boues dépend de facteurs mal connus, autres que le temps de séjour. En particulier, le rôle des herses fixées sur les bras des racleurs est bénéfique ; toutefois, leur efficacité diminue lorsque la hauteur des boues dépasse 1 m. En pratique, la concentration des boues est limitée car elles doivent être aisément pompables. Cette contrainte a pour conséquence de limiter la quantité de boues stockée dans l'épaississeur. Le fait de tendre vers une dilution de soutirage très voisine de la dilution des boues obtenues après un temps infini est une démarche souvent bien audacieuse et risquée (difficulté de pompage, bouchages, etc.).

3.1.3 Vitesse d’extraction des boues de la sous-verse Le fonctionnement d'un décanteur idéal requiert que, à l'équilibre, les solides de la pulpe d'alimentation passent dans la sous-verse de façon continue et à la même vitesse qu'ils entrent dans la zone de compression. La pulpe doit rester dans cette zone le temps nécessaire pour donner une boue de masse volumique donnée, mais un temps de séjour trop important a pour conséquence de surcharger le mécanisme de raclage de l'épaississeur. En conséquence, la masse volumique des boues et la vitesse d'extraction de la sousverse doivent être contrôlées. Cette dernière doit être maximale pour une alimentation donnée afin d'assurer un niveau minimal de pulpe épaissie dans le décanteur. Différentes configurations sont ménagées à la base de l'épaississeur pour rendre accessible la sortie de la sous-verse, selon que l'épaississeur repose sur le sol (nécessité d'un tunnel d'accès) ou sur un support. La sous-verse est véhiculée à une vitesse de 0,9 à 2,4 m/s selon sa masse volumique, sa viscosité et son pourcentage en solides.

3.1.4 Pompes Le transport de boues par pompage est toujours une opération délicate (Anonyme, 1978, Carleton, 1988). Le type de pompe pour l'extraction de la sous-verse est fonction de la construction de la cuve du décanteur. Les pompes sont du type centrifuge ou volumétrique à diaphragme, celles-ci étant munies de clapets ou de boulets à l'aspiration et au refoulement pour assurer l'étanchéité. Lorsque les solides sont grossiers ou que la masse volumique de la sousverse est élevée, la pompe peut être montée directement sous la décharge de la sous-verse. Les pompes centrifuges doivent être mises sous charge pour fonctionner, et peuvent aussi être disposées de cette façon. Les pompes à diaphragme peuvent être situées à l'extérieur du tunnel d'accès lorsque le décanteur repose sur le sol. Elles nécessitent alors un long tuyau d'aspiration et s'accordent mal, de ce fait, à une sous-verse trop épaisse et fortement concentrée en solide. Toutefois, cet arrangement est apprécié, car il permet un entretien facile des moteurs. Il est, dans tous les cas conseillé, de prévoir des arrivées d'eau sous pression (500 à 1 400 kPa), pour répondre aux incidents résultant du colmatage.

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Tableau 2 – Valeurs du facteur k du couple de torsion pour les épaississeurs circulaires à râteaux (King, 1980) Classes Caractéristiques 1

2

3

4

j-1)

> 4,7

1,4 à 4,7

0,5 à 1,4

< 0,5

Solide sec dans la sous-verse .............................................................. (%)

50

Solides < 74 mm .................................................................................... (%)

100

85 à 100

50 à 85

< 50 > 15

Surface unitaire ....................................................................

(m2

·

t-1

·

Solides > 210 mm .................................................................................. (%)

0

0à5

5 à 15

Masse volumique su solide sec .................................................... (g/cm3)

1,0 à 1,25

1,25 à 3,0

3,0

>4

Valeur de k ........................................................................................ (N/m)

15 à 58

73 à 131

146 à 292

> 292

Classe 1 : clarification des saumures et des eaux de rivières, oxydes métalliques ; Classe 2 : adoucissement des saumures, oxyde de magnésium ; Classe 3 : stériles de mines métalliques, argiles, stériles de phosphate et de charbon, concentré de blende, oxyde de titane ; Classe 4 : concentrés d’hématite, de magnétite, d’ilménite et sables lourds, décantation à contre-courant de résidus de lixiviation d’uranium.

3.1.5 Floculants La floculation de l'alimentation doit être complète, car un décanteur a pour rôle de fournir à la fois des surverses claires et des boues riches en solides. On a tendance à croire que la clarification dépend uniquement de la surface et de la vitesse du courant ascendant, qui doit rester inférieure à la vitesse de sédimentation, mais on oublie que la clarification de la surverse dépend avant tout de la coagulation et/ou de la floculation. Bien qu'un matériau inorganique flocule en général naturellement, on doit introduire des adjuvants chimiques appelés floculants pour faciliter la formation et la sédimentation de flocs formés à partir des fines particules dispersées.

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L’addition du floculant dans un épaississeur a fait l'objet de nombreux travaux (Emmett et Klepper, 1980 ; Pearse, 1980 ; Dahlstrom et Fitch, 1985 ; Deans et Glatthaar, 1986 ; Hogg et al., 1987 ; Suttill, 1991). Elle doit être faite au niveau de la goulotte d'alimentation en pulpe de l'épaississeur ou dans la chambre d'alimentation, mais jamais dans une pompe.

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Les adjuvants sont mis en œuvre avec des solutions de concentrations massiques inférieures à 0,5 %. Ils doivent être uniformément dispersés et parfois on opère dans une chambre de mélange. Lorsqu'il s'agit d'un cation multivalent du type alun, le temps nécessaire pour assurer la dispersion a peu d'importance à condition d'utiliser un conditionneur agité bien dimensionné. Par contre, quand il s'agit d'un polymère minéral ou organique, naturel ou synthétique, il faut non seulement éviter l'alimentation au niveau d'une pompe, mais tout mode d'agitation développant des forces de cisaillement intense. Un mouvement de brassage lent avec la pulpe est conseillé. Dans ce cas, on réalise un temps de contact suffisant pour permettre aux flocs de grossir et de sédimenter rapidement. Plus la pulpe présente une faible concentration en solides, plus le grossissement des flocs est difficile. Il est possible, par recirculation des solides au niveau de l'alimentation de l'épaississeur, de faciliter l'agglomération et d'obtenir une vitesse de sédimentation suffisamment élevée. La tendance actuelle est à l'emploi de polymères de masse moléculaire assez faible, afin d'obtenir les suspensions de boues les plus concentrées possibles (Healy et al., 1995). Le dosage des polymères synthétiques est un point important. En effet, ils sont utilisés en très faibles quantités, de 5 à 30 g/t de solide sec. Lorsqu'on augmente la quantité de polymère, on augmente en même temps la viscosité de la sous-verse, et cela jusqu'au point où le mécanisme de raclage devient insuffisant pour entraîner le flux de boues vers l'orifice de décharge. De plus, l'addition incontrôlée du floculant peut créer une masse gélatineuse et visqueuse, qui s'accumule sur les bras du système de raclage ou contre les parois de la cuve, pouvant former un anneau ou des « ilôts » entre lesquels cir-

cule une pulpe peu épaissie, qui provoque une forte dilution de la sous-verse. En règle générale, le floculant capable de donner la masse volumique de boues la plus élevée n'est pas forcément celui qui donne la vitesse de sédimentation la plus grande.

3.1.6 Contrôle et sécurité Les épaississeurs sont munis d'un dispositif de mesure en continu du couple exercé par le mécanisme d'entraînement. Les systèmes de protection consistent en une alarme de surcharge de type hydraulique, mécanique ou électrique, qui déclenche une alarme sonore et un arrêt de moteur suivant le niveau de la surcharge. Les râteaux se relèvent automatiquement à l'aide d'un vérin hydraulique à action verticale directe sur l'arbre porte-râteaux. Il existe une stratégie de contrôle basée sur la mesure de la masse volumique de la sous-verse, comme c'est le cas à la mine de Bougainville en Papouasie (Deans et Glatthaar, 1986). On fixe, par exemple, une valeur de la masse volumique de la sous-verse, correspondant généralement à une concentration en solides de 59 à 60 %. Les déviations par rapport à cette valeur de consigne donnent un signal qui est envoyé aux pompes doseuses de floculant dont la vitesse est variable. Le défaut de cette méthode est un temps de réponse trop long. Il est également possible d'asservir le débit de floculant à la mesure du couple de torsion. Celui-ci est en effet une fonction linéaire du débit de floculant. Le temps de réponse est donc plus court, ce qui permet de réduire les effets cycliques. Une méthode plus complète consiste à mesurer en continu le niveau des boues à l'intérieur du décanteur. On contrôle aussi en continu le débit de floculant, les masses volumiques de la pulpe d'alimentation et de la sous-verse, et le débit de la pulpe d'alimentation. Les valeurs mesurées sont transmises sous forme de signaux à un microprocesseur de sous-verse, qui les traduit en débit massique d'alimentation et ajuste le dosage du floculant en conséquence. Un capteur ultrasonique ou un sonar signale le niveau des boues et le débit de soutirage est en permanence ajusté de telle façon que le niveau reste constant dans l'appareil. Le contrôle en continu automatique est réalisé sur des épaississeurs de grande surface, de l'ordre de 0,15 m2 · t-1 · j-1. Si l'on recherche à optimiser l'épaississage ou la décantation, il est nécessaire de prendre en compte la taille des flocs et leur structure, en effectuant des mesures en continu ou en semi-continu. Hogg et al. (1987, 1995) pensent en effet que les facteurs physiques peuvent avoir un effet prépondérant sur les résultats du procédé de sédimentation, la taille des flocs jouant sur la masse volumique des

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DÉCANTATION

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boues, laquelle est correlée aussi à la structure : l'agitation peut, par exemple, conduire à une densification des flocs en les cassant pour libérer les fluides captifs (eau, air).

3.1.7 Maintenance et pannes Les décanteurs-épaississeurs sont des appareils caractérisés par une très grande robustesse et une bonne fiabilité, les pannes sont très rares à condition que certaines règles visant à protéger l'appareil soient observées : — plus les particules sont grenues, plus le mécanisme des râteaux doit exercer un couple important. Aussi, est-il avantageux de faire une coupure par cyclone classificateur à 150 mm et de filtrer les particules de plus de 150 mm sur un filtre plan ou de les épaissir dans un classificateur à râteaux ; — les dispositifs de mesure en continu du couple exercé par l'entraînement des râteaux et le relevage automatique de ces derniers ne doivent pas être court-circuités, afin d'éviter le blocage des râteaux dans les boues. Le couple de torsion est toujours inférieur à 25 % de la valeur maximale affichée pour un épaississeur en marche ; — les râteaux doivent faire l'objet d'un entretien préventif ; — l'engrenage de l'arbre central a une durée de vie de l'ordre de 20 ans pour des vitesses de 0,05 à 0,10 tr/min. Pour sa lubrification, on utilise des lubrifiants synthétiques adaptés aux pressions élevées avec des viscosités importantes (High Pressure Oils). On extrait l'eau contenue dans le lubrifiant sans arrêter l'épaississeur (King, 1980).

3.2 Pulpes diluées Le cas le plus fréquent des pulpes diluées correspond au traitement des eaux usées et des eaux de consommation. Le traitement des eaux industrielles entre souvent dans cette catégorie. Dans tous les cas, il est nécessaire de faciliter l'agrégation des particules ultrafines et colloïdales par des coagulants et des floculants. Il est évident que le temps nécessaire pour rassembler les particules est un paramètre essentiel. La cinétique des réactions est fonction de la nature, du milieu, de la température (agitation thermique), de la concentration en colloïdes, de la présence d'inhibiteurs, etc. La mise en œuvre des coagulants et floculants est caractérisée par un temps de contact qui est déterminé expérimentalement.

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3.2.1 Coagulants et floculants

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Dans le traitement de l'eau, la coagulation consiste à déstabiliser les particules colloïdales par addition d'un réactif chimique (sels de cations trivalents), le coagulant. La formation des flocons dépend du transport et de la mise en contact des particules coagulées et constitue la floculation. Celle-ci peut être améliorée par l'ajout d'un autre réactif : le floculant, qui est la plupart du temps un polymère naturel ou de synthèse. Les domaines d'emploi des coagulants et floculants sont les suivants. ■ Eaux de surface

■ Eaux usées urbaines En association avec un coagulant, on utilise un polymère anionique avec des concentrations atteignant 2 g · m-3. Quand on recherche seulement l'élimination des matières en suspension, un floculant synthétique employé sans coagulant suffit. ■ Déshydratation des boues Les boues organiques nécessitent en général un floculant cationique et les boues à caractère minéral un floculant anionique. La consommation est de l'ordre de 0,5 à 7 kg de polymère par tonne de matière sèche. ■ Émulsions d’hydrocarbures et d’huiles Les émulsions mécaniques, relativement instables, donnent après 1 h de décantation statique des micelles de taille comprise entre 10 et 100 mm, avec des concentrations de 100 à 500 mg/L. Les émulsions chimiques sont relativement stables en raison soit de la nature des hydrocarbures (asphaltène, naphténates), soit de la coprésence d'agents dispersants (sels alcalins, détergents...). Les micelles, après décantation statique de 1 h, présentent des tailles de 0,1 mm avec des concentrations très variables, comprises entre 100 mg/L (cas des effluents pétrochimiques) et 50 g/L (cas de fluides aqueux de coupe). Les émulsions mécaniques peuvent être le siège d'un mécanisme de coalescence prédominant. Le traitement peut comporter une coagulation partielle correspondant à une déstabilisation. Par contre, les émulsions chimiques nécessitent une coagulation complète suivi d'une floculation et une séparation par décantation.

3.2.2 Contrôle Le contrôle du niveau des boues est fondamental pour réguler le soutirage et éviter qu'il s'effectue au détriment de la qualité de l'eau. Il peut être assuré de différentes façons : — dans le cas d'un débit constant et si la concentration des boues a peu d'importance, on peut réguler l'extraction à intervalles fixes par une minuterie ; — dans le cas où la concentration des boues est élevée, le contrôle est effectué par sonde à ultrasons ou par mesure du couple de torsion. On peut aussi contrôler la hauteur du niveau des boues par sonde optique. D'autres contrôles plus spécifiques de la qualité des eaux que de la décantation elle-même sont effectués en continu (turbidité, résistivité, conductivité, pH, potentiel d'oxydo-réduction, concentrations, oxygène dissous, demande chimique en oxygène (DCO), etc.). Enfin, il faut citer : — les contrôles classiques des niveaux liquides : systèmes bulle à bulle, systèmes à membrane, systèmes capacitifs, systèmes à ultrasons ; — les contrôles classiques de débit : débimètres à turbine et déprimogènes, débitmètres électromagnétiques à ultrasons simples, à ultrasons à effet Doppler, à effet vortex, etc.

3.2.3 Entretien

■ Eaux résiduaires industrielles

En clarification des eaux, l'entretien des installations demande un arrêt de la production. C'est donc une opération que l'on évite de faire fréquemment. Le conditionnement de l'eau avant décantation (préchloration en traitement des eaux potables) est effectué de façon à éviter les salissures. Malgré ce conditionnement, il est nécessaire de nettoyer périodiquement les goulottes de reprise des eaux décantées, ce qui peut se faire sans vidange de l'appareil.

On combine généralement l'action d'un coagulant avec un polymère anionique, en employant ce dernier jusqu'à des doses de 2 g · m-3. Cependant, un polymère cationique utilisé avec des quantités de 0,5 à 5 g · m-3 est mieux approprié pour des effluents issus de traitements de surface ou de lavage des gaz.

Le nettoyage des goulottes de répartition des eaux brutes, en fond des décanteurs à lit de boues, est effectué en moyenne tous les ans, lors de l'inspection de ces goulottes et des installations complémentaires de répartition. Il s'agit d'opérations d'entretien de routine, qui demandent une préparation du réseau de distribution par stockage

En clarification, le floculant de synthèse est utilisé en combinaison avec un coagulant. Le meilleur polymère est généralement anionique ou non ionique, ou à la rigueur faiblement cationique. Les quantités utilisées sont de l'ordre de 0,05 à 0,5 g · m-3 et peuvent atteindre 2 g · m-3 pour des eaux très chargées.

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________________________________________________________________________________________________________________________ DÉCANTATION

Pour pouvoir choisir entre plusieurs types d'appareils, on doit faire appel à deux critères : les critères mesurables, qui permettent d'effectuer des comparaisons, et les critères non mesurables, qui touchent davantage aux commodités de maintenance accompagnant l'utilisation d'un appareil et à ses faibles nuisances. On ne considérera ici que les critères mesurables énoncés dans l’encadré ci-dessous.

de particules grenues et que la floculation se poursuit pendant la décantation, le dimensionnement et le choix du décanteur ne dépendent pratiquement que de la charge hydraulique. Pour assurer de bonnes conditions de capture, on a le choix entre : — les décanteurs à flux vertical : dans ce cas, les particules dont la vitesse de sédimentation est supérieure à la vitesse ascendante du liquide sont retenues. Les décanteurs circulaires, lamellaires et tubulaires entrent dans cette catégorie ; — les décanteurs rectangulaires à flux horizontal : une partie des particules, ayant une vitesse de décantation inférieure à la vitesse de Hazen VH [J 3 450], est retenue, alors qu'elle ne le serait pas dans un décanteur à flux vertical. L'importance de cette fraction dépend de la répartition hydraulique sur un plan vertical à l'entrée et à la sortie de l'appareil. Cette répartition peut poser quelques problèmes auxquels s'ajoutent les difficultés venant de l'accumulation et de la collecte des boues et de la non-uniformité de la composante horizontale des vitesses entre le milieu et la périphérie du bassin. Ces difficultés doivent être prises en compte dans le choix d'un ouvrage.

4.2 Pulpes diluées

4.2.2 Flux massique

de la production d'une journée de distribution d'eau ou d'une journée de traitement des eaux résiduaires.

4. Critères de choix d’un matériel 4.1 Pulpes concentrées

Les critères de choix d'appareils traitant des eaux et effluents présentant une forte dilution concernent en priorité l'aire de décantation. Il sont basés sur la connaissance de deux grandeurs : — la charge hydraulique superficielle caractérisant le volume d'effluent à traiter par unité de surface et de temps (m3 · m-2 · h-1) ; — le flux massique caractérisant la quantité de matière en suspension à décanter par unité de surface et de temps (kg · m-2 · h-1).

4.2.1 Charge hydraulique La charge hydraulique superficielle est directement liée à la vitesse de décantation des matières en suspension. Lorsqu'il s'agit

Le flux massique doit être pris en compte dans le cas de particules floculées freinant la décantation où intervient le phénomène d'épaississement. Le flux massique est déterminant pour le calcul d'un décanteur avec soutirage des boues. En effet, il existe un flux limite (ou critique) imposant une section minimale pour le décanteur [J 3 450]. Le rendement de décantation n'est jamais de 100 % car des tourbillons au sein du liquide, des courants de convexion dus aux différences locales de température et de masses volumiques, joints à l'action du vent, viennent perturber une circulation laminaire et stable (pour des nombres de Reynolds Re < 800), telle qu'elle doit être assurée dans les décanteurs, aussi bien à flux horizontal que vertical.

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Critères mesurables

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1. La concentration en solides de la surverse : elle se situe couramment entre 50 et 200 mg/L. Seule une filtration permet de diminuer ces valeurs. 2. La concentration en solides des boues : ces boues doivent être pompables. Il convient que leur concentration volumique en solides ne dépasse pas 50 %. Les concentrations limites dépendent de la taille des particules. 3. Le rendement de lavage : il est défini par le ratio RL donné par la relation : masse de solutés évacués avec la sous-verse 1 Ð R L = ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------masse de solutés entrant dans le décanteur 4. Le débit massique horaire ou journalier de liquide et de solides : ce sont les décanteurs circulaires qui peuvent traiter les débits les plus importants. Ainsi, un seul appareil de 150 m de diamètre peut traiter plusieurs dizaines de milliers de m3/h en utilisant des floculants. 5. Le volume du décanteur : il doit être suffisant lorsque l'appareil sert à stocker le liquide clarifié ou les boues. 6. Le mode de fonctionnement : les appareils sont généralement conçus pour travailler en continu. 7. La viscosité du liquide et plus exactement de la suspension : elle a un caractère limitatif. Comme la vitesse de chute des particules en régime laminaire est inversement proportionnelle à la viscosité dynamique, on réserve la décantation statique aux suspensions dans des liquides peu visqueux (eau). 8. La taille des particules : des particules grenues ont pour effet d'augmenter le coût du mécanisme d'entraînement des

râteaux. Aussi, préfère-t-on éliminer les particules supérieures à 150 mm avant l'épaississeur par classification (classificateur cyclone, à râteaux). 9. Les variations de débit et de concentration en solides de l'alimentation : dans un décanteur statique, lorsque le débit varie, la concentration en solide de la sous-verse reste constante mais celle de la surverse évolue fortement. L'augmentation de débit ne peut être corrigée que par une addition supplémentaire de floculant. Par contre, un décanteur dynamique permet de mieux supporter les perturbations par suite du volume important de l'appareil. 10. Le temps de réponse, lorsque l'on doit s'adapter aux conditions d'alimentation, et la souplesse du réglage entrent dans les critères de choix : outre le dosage du floculant, les seuls moyens qui peuvent être mis en œuvre dans les décanteurs dynamiques sont le réglage de la vitesse d'extraction de la sous-verse et de la vitesse de raclage en fonction de la charge en solides de l'appareil. 11. Les facilités de maintenance : elles entrent aussi dans les critères de choix, puisqu'elles permettent de réduire les pertes d'exploitation en cas de panne, en réduisant la durée d'immobilisation de l'appareil et souvent de l'ensemble de l'installation. 12. Les coûts du matériel, d'installation (bâtiments, fondations, équipements auxiliaires), d'exploitation (énergie, main d'œuvre, floculants, lubrifiants), de maintenance (pièces de rechange, maind'œuvre) : ils sont évidemment à considérer. Il faut signaler que, généralement les décanteurs prennent beaucoup de place mais que les coûts d'exploitation (à part les floculants) et de maintenance sont très faibles.

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J 3 451 - 13

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P O U R

Décantation

E N

Pierre BLAZY

par

Professeur à l’Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL) Directeur du Centre de Recherche sur la Valorisation des Minerais (CRVM) Laboratoire Environnement et Minéralurgie (LEM) - CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL)

El-Aïd JDID Docteur ès Sciences Ingénieur de Recherche au CRVM, LEM - CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL)

Jean-Luc BERSILLON

et

Doctor of Philosophy Professeur à l’INPL - LEM UMR 75-69 (ENSG-INPL)

Données économiques 1. Épaississeurs 1.1 Coûts des investissements

1.2 Coûts opératoires

Le tableau A donne des ordres de grandeurs de coûts (1997) pour différents diamètres d’épaississeurs. Ces coûts tiennent compte uniquement de la cuve, du mécanisme de raclage, des râteaux et des moteurs. Pour un diamètre donné, la variation des coûts du tableau A est liée à la réalisation de la cuve, qui peut être en béton ou métallique, aux caractéristiques chimiques de la suspension à traiter, qui peuvent nécessiter un revêtement anticorrosion toujours très coûteux, au mécanisme d’entraînement, dont le coût peut varier du simple au double, car selon que les solides décantés sont plus ou moins grossiers, plus ou moins lourds, les couples à développer seront très différents, et si un relevage est prévu, le coût de l’entraînement variera de 30 %. Pour obtenir le coût de l’épaississeur installé, il faut ajouter les coûts du tableau B, exprimés en pour-cent des coûts du tableau A.

Les coûts des réactifs doivent être calculés pour chaque cas. Il s’agit principalement des floculants. La dépense énergétique est de l’ordre de 70 % de la puissance requise installée. Le coût de la maintenance dépend de facteurs tels que la qualité de l’équipement, le degré d’usure ou de corrosion. On peut l’évaluer de 10 à 15 % du coût de l’équipement installé. Toutefois, il est nul pendant la durée de garantie donnée par le constructeur (5 ans en général pour les têtes de commande). Les fournitures telles que les lubrifiants, les équipements de sécurité, sont de l’ordre de 15 % du coût de la maintenance.

2. Clarificateurs 2.1 Coûts des investissements

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Tableau A – Coûts des épaississeurs en fonction du diamètre

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Diamètre.....(en m)

6

Coût............(en FF)

185 000 à 250 000

15

30

60

120

410 000 720 000 1 785 000 5 000 000 à à à à 1 500 000 2 500 000 4 000 000 12 000 000

Tableau B – Coûts d’installation des épaississeurs Rubrique

Diamètre < 15 m

Installation des accessoires............

11 %

Grand diamètre 4%

Infrastructure...................................

26 %

10 %

Génie civil........................................

17 %

10 %

Tuyauterie........................................

14 %

5%

Électricité.........................................

26 %

5%

Contrôle...........................................

10 %

3%

S A V O I R

Dans le cas du traitement des eaux potables, les coûts sont exprimés par rapport à la production d’eau clarifiée (surnageant), et non par rapport au tonnage de solides secs produits ou traités. Les volumes de surnageant sont considérables et les installations souvent très vastes. N’étant pas modulaires, leur coût tend à décroître avec le volume produit (figure A). Cependant, ce coût est extrêment variable en fonction des conditions locales du marché et du procédé. Ainsi, pour un même volume à traiter, il peut varier du simple au triple. Pour les eaux résiduaires (décantation primaire ou secondaire), compte tenu des incertitudes sur les évaluations des flux massiques des particules en suspension, sur les conditions locales de marché et sur la conduite des chantiers, on peut considérer que les coûts des investissements sont du même ordre de grandeur que ceux de la clarification des eaux potables.

2.2 Coûts opératoires Si l’on ne tient pas compte de la maintenance des réseaux de distribution et de collecte et des coûts des coagulants et floculants, le seul coût opératoire par appareil correspond à la main-d’œuvre d’entretien, soit en moyenne 1 000 à 5 000 F HT/an, dont la répercussion sur le coût de production unitaire (par m3) est négligeable.

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Doc. J 3 452 - 1

P L U S

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P O U R

DÉCANTATION

________________________________________________________________________________________________________________________

Coût [F/(m3 . j)] 104 5

E N

2

103 5

S A V O I R

2

102 10

2

5

102

2

5

103

2

5

104

2

5

105

Production (m3/J) Figure A – Coût d’investissement pour une clarification en fonction du débit de production

Bibliographie

P L U S

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Fabricants ou constructeurs France

Allemagne

États-Unis

Alfa Laval SNC.

AKW Apparate und Verfahren GmbH und Co KG.

Betz Industrial. Bird Machine Co/Baker Hughes Co. (A.).

Svedala Allis Mineral Systems. Canada

DBS Manufacturing Inc.

Dorr Oliver France.

Minpro Ltd.

Dorr Oliver Inc.

Eimco Wemco S.A.

Westpro Sales Inc.

Degremont Erpac S.A.

Environnement Chimie Appliquée ECA. Eparco Centre de Recherche.

Eimco Process Equipment Co. Enviro-Clear Co Inc. Enviro Dewatering and Recovery Inc.

Finlande

Larox Inc.

Outokumpu Oy.

Larox Oy.

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E N S A V O I R

Linatex Corp. of America. Lyntek Inc.

Linatex France S.A.

Grande-Bretagne

Loro Parasini et Neyrtec S.A.

Delkor Ltd.

Lyonnaise des Eaux.

Parkson Corp.

Floatex Separations Ltd.

Quinn Process Equipment Co.

Outokumpu Mintec USA Inc.

Omnium de Traitements et de Valorisation OTV.

tiwekacontentpdf_j3451

P O U R

Stebbins Engineering Manufacturing Co.

Svedala.

Suède

Union Carbide Corp.

Westfalia Separator France.

Denver Sala International AB.

Westech Engineering Inc.

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Doc. J 3 452 - 3

P L U S

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P O U R

Décantation

E N

Pierre BLAZY

par

Professeur honoraire Ancien directeur de l’École Nationale Supérieure de Géologie (ENSG)

Données économiques 1. Épaississeurs 1.1 Coûts des investissements Le tableau A donne des ordres de grandeurs de coûts (1997) pour différents diamètres d’épaississeurs. Ces coûts tiennent compte uniquement de la cuve, du mécanisme de raclage, des râteaux et des moteurs. Pour un diamètre donné, la variation des coûts du tableau A est liée à la réalisation de la cuve, qui peut être en béton ou métallique, aux caractéristiques chimiques de la suspension à traiter, qui peuvent nécessiter un revêtement anticorrosion toujours très coûteux, au mécanisme d’entraînement, dont le coût peut varier du simple au double, car selon que les solides décantés sont plus ou moins grossiers, plus ou moins lourds, les couples à développer seront très différents, et si un relevage est prévu, le coût de l’entraînement variera de 30 %. Pour obtenir le coût de l’épaississeur installé, il faut ajouter les coûts du tableau B, exprimés en pour-cent des coûts du tableau A.

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Tableau A – Coûts des épaississeurs en fonction du diamètre

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Diamètre.....(en m)

6

15

30

60

120

Coût...(euros 2002)

29 000 à 39 000

62 500 à 230 000

110 000 à 390 000

280 000 à 615 000

780 000 à 1 850 000

Tableau B – Coûts d’installation des épaississeurs Rubrique

Diamètre < 15 m

Installation des accessoires...........

11 %

Grand diamètre 4%

Infrastructure..................................

26 %

10 %

Génie civil......................................

17 %

10 %

Tuyauterie.....................................

14 %

5%

Le coût de la maintenance dépend de facteurs tels que la qualité de l’équipement, le degré d’usure ou de corrosion. On peut l’évaluer de 10 à 15 % du coût de l’équipement installé. Toutefois, il est nul pendant la durée de garantie donnée par le constructeur (5 ans en général pour les têtes de commande). Les fournitures telles que les lubrifiants, les équipements de sécurité, sont de l’ordre de 15 % du coût de la maintenance.

S A V O I R

2. Clarificateurs 2.1 Coûts des investissements Dans le cas du traitement des eaux potables, les coûts sont exprimés par rapport à la production d’eau clarifiée (surnageant), et non par rapport au tonnage de solides secs produits ou traités. Les volumes de surnageant sont considérables et les installations souvent très vastes. N’étant pas modulaires, leur coût tend à décroître avec le volume produit (tableau C). Cependant, ce coût est extrêment variable en fonction des conditions locales du marché et du procédé. Ainsi, pour un même volume à traiter, il peut varier du simple au triple. Pour les eaux résiduaires (décantation primaire ou secondaire), compte tenu des incertitudes sur les évaluations des flux massiques des particules en suspension, sur les conditions locales de marché et sur la conduite des chantiers, on peut considérer que les coûts des investissements sont du même ordre de grandeur que ceux de la clarification des eaux potables.

2.2 Coûts opératoires Si l’on ne tient pas compte de la maintenance des réseaux de distribution et de collecte et des coûts des coagulants et floculants, le seul coût opératoire par appareil correspond à la main-d’œuvre d’entretien, soit en moyenne 170 à 800 € HT/an, dont la répercussion sur le coût de production unitaire (par m3) est négligeable.

Tableau C – Investissements pour une clarification en fonction des débits de production

Électricité........................................

26 %

5%

Investissement moyen

Débit de production

Contrôle........................................

10 %

3%

(euros (2002) par m3/jour)

(m3/jour)

350

50

1.2 Coûts opératoires

175

100

Les coûts des réactifs doivent être calculés pour chaque cas. Il s’agit principalement des floculants.

80

1 000

La dépense énergétique est de l’ordre de 70 % de la puissance requise installée.

65

10 000

40

100 000

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Fabricants ou constructeurs (Liste non exhaustive)

Allemagne

France Alfa Laval SNC. http://www.alfalaval.com Brauer/DBCO. http://www.dbco.fr.com Degremont Erpac S.A. http://www.degremont.fr

AKW Apparate und Verfahren GmbH und Co KG. http://www.akwauv.com

Canada

Dorr Oliver Eimco France. (Groupe Laperrière & Verreault) http://www.glv.com Environnement Chimie Appliquée ECA. Eparco Centre de Recherche. http://www.eparco.info

Minpro International Ltd. http://www.minproint.com Westpro Machinery Inc. http://www.westproequip.com

DBS Manufacturing Inc. http://www.dbsmfg.com Dorr- Oliver Eimco. (Groupe Laperrière & Verreault) http://www.glv.com Enviro-Clear Co Inc. http://www.enviro-clear.com Larox Inc. http://www.larox.com

Lyntek Inc. http://www.lyntek.com

Finlande

Linatex France S.A. http://www.linatex.com

Outokumpu Oy. http://www.outokumpu.com

Machinery and Equipment Co. http://www.machineryandequipment.com

Grande-Bretagne

Outokumpu Mintec USA Inc. http://www.outokumpu.com

Metso Corporation. http://www.metso.com Neyrtec Environnement. http://perso.wanadoo.fr/neyrtec-environnement

Delkor Ltd. http://www.delkor.co.uk Floatex Separations Ltd. http://www.floatex.co.uk

Neyrtec Minéral http://www.neyrtec.com Omnium de Traitements et de Valorisation OTV. Filiale de Veolia Water Systems http://www.veoliawatersystems.com

États-Unis Bechtel. http://www.bechtel.com

E N

Linatex Corp. of America. http://www.linatex.com

Larox. http://www.larox.com Lyonnaise des Eaux. http://www.lyonnaise-des-eaux.fr

P O U R

Parkson Corp. http://www.parkson.com Quinn Process Equipment Co. http://www.quinnprocess.com Stebbins Engineering Manufacturing Co. http://www.stebbinseng.com

Veolia Environnement. http://www.veoliaenvironnement.com

Baker Hughes. http://www.bakerhughes.com

Union Carbide Corp. Filiage de Dow Chemical Company http://www.dow.com/ucc/

Westfalia Separator France (Groupe GEA). http://www.westfalia-separator.com

Bird Machine Co racheté par Andritz http://www.andritz.com

Westech Engineering Inc. http://www.westech-inc.com

S A V O I R

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P L U S

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