le traitement des effluents liquides : les...
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LE TRAITEMENT DES EFFLUENTS LIQUIDES :
Les procédés physico-chimiques
Année Universitaire 2009/2010
Christelle WISNIEWSKI
UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques
Université Montpellier 1
Master Bioproduits et Maîtrise des Procédés de Transformation
NOTION DE FILIERE DE TRAITEMENT
EFFLUENT A TRAITER
Pré-traitement
Traitement primaire
Traitement secondaire
Traitement tertiaire
EFFLUENT TRAITE
[Exemple du traitement des eaux usées urbaines]
Les procédés physico-chimiques
Traitements physiques
Traitements biologiques
Traitements chimiques
PRINCIPAUX TYPES D’ OPERATIONS UNITAIRES
MISES EN OEUVRE
Les procédés physico-chimiques
Les procédés physico-chimiques
PRINCIPES DU TRAITEMENT DES EFFLUENTS LIQUIDES
EFFLUENT BRUTEFFLUENT BRUT
MatiMati èères collores colloïïdalesdales1 1 ηηηηηηηηm < < 1 m < < 1 µµmm
MatiMati èères en suspensionres en suspension1 1 µµm <m <
MatiMati èères dissoutesres dissoutes< 1< 1ηηηηηηηηmm
Traitements physiques sophistiqués
Traitements biologiques
Traitements chimiques
ComposComposéés en suspensions en suspension
TRAITEMENTS PHYSIQUES RUSTIQUES
MatiMati èères collores colloïïdalesdales1 1 ηηηηηηηηm < < 1 m < < 1 µµmm
MatiMati èères dissoutesres dissoutes< 1< 1ηηηηηηηηmm
MILIEU BIPHASIQUEPHASE LIQUIDE / PHASE SOLIDE
SEPARATION DE PHASES
SEPARATION PAR DECANTATION
Ce type d'opération unitaire consiste à séparer de la phase liquide la phase solide par simple déplacement due au champ de pesanteur (ou à un autre champ d'accélération).
SEPARATION PAR FILTRATION
Ce type d'opération unitaire consiste à séparer une phase continue d'une phase dispersée en retenant la phase dispersée sur un support ou à l’intérieur d’une masse poreuse.
Les procédés physico-chimiques
CONDITIONNEMENT DE L’EFFLUENTPAR COAGULATION-FLOCULATION
CONTENU DU COURS
1. Eléments de caractérisation d’un milieu biphasique (liquide / solide)
2. Coagulation-floculation
- Bases et principe
2. Séparation liquide-solide par décantation
- Décantation de particules grenues- Décantation gênée- Type de décanteurs
3. Séparation liquide-solide par filtration
- Lois générales- Filtration sur support / Filtration dans la masse
Les procédés physico-chimiques
MILIEU BIPHASIQUEMILIEU BIPHASIQUE
PHASE CONTINUE PHASE DISPERSEE
SUSPENSIONSUSPENSION
MILIEU POREUXMILIEU POREUX
Liquide
LiquideSolide
Solide
Eléments de caractérisation d’un milieu biphasique
MILIEU MILIEU BIPHASIQUEBIPHASIQUE
Liquide
Solide
Caractéristiques de l’ensemble des particules
Caractéristiques de la particule
Caractéristiques de la texture du milieu poreux
Masse volumique ρ ρ ρ ρ [M.L -3]Viscosité dynamique µ µ µ µ [M.L -1.T-1]]]] ou cinématique ν [ν [ν [ν [L2.T-1] ] ] ]
Caractéristiques de la particule
Masse volumique ρρρρs [M.L -3]Diamètre [L ]]]]
Eléments de caractérisation d’un milieu biphasique
ETAT DE STABILITE D’UNE SOLUTION OU D’UNE SUSPENSIO N
Une eau comprend différents types de molécules ou particules :Matières dissoutes < 0.001 µmMatières colloïdales de 0.001 µm à 1 µmMatières en suspension > 1 µm
Chargées négativement et soumises à deux groupes de forces
opposées
Forces produisant la stabilisation de la suspension
Forces produisant la déstabilisation de la suspension
Forces électrostatiques de répulsion interparticulairesHydratation des particules agissant à faibles distances
Mouvement BrownienForces de Van der Waals
Coagulation-floculation
COAGULATION - FLOCULATION
Pour les colloïdes
S/V important
Phénomènes physico-chimiques à la surface du solide prépondérants
Stabilisation de la suspension
Consiste en un cassage d’émulsions stables
S’effectue par l’intermédiaire de réactifs chimiques qui diminuent les facteurs de stabilisation et notamment les forces répulsives des particules ou qui constituent des ponts entre les colloïdes par un mécanisme d’adsorption
Après coagulation, les particules possèdent une énergie cinétique supérieure à celle qui est nécessaire pour vaincre les forces électrostatiques de répulsion
L’adhésion des colloïdes s’effectue par suite d’une série de cohésions biparticulaires successives, faisant intervenir un processus mécanique (agitation douce) qui amène les particules colloïdales en entrer en contact
Coagulation-floculation
Charge électrique de la surface de la particule négative
Déséquilibre électrique au sein de la solution
Ions de la solution de même signes que ceux de la parois repoussés
Ions de la solution de signe opposé attirés
DOUBLE COUCHE IONIQUE ENTOURANT LA PARTICULE
-
+
+
+
++
+
+- --
-
--
--
-
+ -
+ - + -
+ -+ -
+ -+ -
+ -
Couche fixe
Couche diffuse mobile
Distance de la paroi
Potentiel mV
Potentielélectrique entourant la
particule EPotentielZêta Z
Z Différence de potentiel entre couche fixe et le seindu liquide POTENTIEL ELECTROCINETIQUE
E Différence de potentiel entre la paroi et le sein du liquide POTENTIEL THERMODYNAMIQUE DE NERNST
Coagulation-floculation
+
-
Ene
rgie
d’in
tera
ctio
n
Att
ract
ion
Rép
ulsi
on
distance
FAVORISER LES FORCES D’ATTRACTION
Coagulation-floculation
L’interaction des doubles couches chargées électriquement empêchent les particules contiguës de se rassembler sous l’influence du mouvement brownienou d’une agitation mécanique
La stabilisation des particules par cette double couche peut être décrite par l’évolution du potentiel entre la surface du solide et la masse du liquide
POTENTIEL ZETAParamètre déterminant la grandeur des forces
électrostatiques de répulsion entre les particules, donc leur probabilité d’adhésion
Nota : Interactions entre la surface chargée du solide et l’eau : au voisinage de la surface, arrangement particulier des molécules d’eau formant une couche d’hydratation qui empêche le rapprochement des molécules
L’agglomération ou coagulation maximale sera obtenue pour le point de potentiel Zêta nul
Coagulation-floculation
OBJECTIF
LES REACTIFS
1. Les coagulants ou floculants
Ces produits sont capables : - de neutraliser l’électro-négativité des colloïdes- de donner naissance à un précipité, notamment d’hydroxydes métalliques, qui sert ultérieurement de sites d’adsorption
Il s’agit : - de réactifs minéraux,- de coagulants organiques synthétiques.
2. Les adjuvants de floculation
Ces produits favorisent la floculation en compléments des réactifs minéraux et permettent un grossissement du floc.
Il s’agit : - de silice active,- de la bentonite,- de certaines argiles, …
Coagulation-floculation
LES REACTIFS MINERAUX
SULFATE ET CHLORURE D’ALUMINEAl2(SO4)3, 18 H2O et AlCl3, 6 H2O
CHLORURE ET SULFATE FERRIQUEFeCl3, 6 H2O et Fe2(SO4)3, 9 H2O
SULFATE FERREUXFeSO4, 7 H2O
Comportement liéessentiellement au pH
du milieu
pH faibleLe cation métallique
(Al3+, Fe3+) prédomine
pH élevéLes hydroxydes (Al(OH)3, Fe(OH)3)
deviennent prépondérants
Déstabilisation par les cations métalliques
Actions des hydroxydes métalliques
coagulant
floculant
Coagulation-floculation
Déstabilisation par les cations métalliques
- Le potentiel Zéta passe d’une valeur négative à une valeur nulle
- Modification de la couche diffuse et rapprochement des particules
- Attraction mutuelle des particules (forces de cohésion de Van Der Walls) si distance entre particules suffisamment faibles
Actions des hydroxydes métalliques
- Cations trivalents précipités sous forme d’hydroxydes
- Précipité floconneux possédant une surface spécifique très élevée et pouvant piéger et adsorber les particules avec lesquelles il rentre en contact
COAGULATION
FLOCULATION
Coagulation-floculation
LES COAGULANTS ORGANIQUES SYNTHETIQUES
Polymères organiques de nature cationique, anionique ou non ionique
Avantage dans l’absence de production de boues supplémentaires
Polyélectrolytes cationiques
Même mécanisme que lors de l’introduction de cations métalliques
COAGULATION
Polyélectrolytes anioniques ou polymères non ioniques
Sites actifs des polymères pouvant s’adsorber à la surface des particules
Formation de ponts / réticulation / floc
FLOCULATION
Coagulation-floculation
TECHNIQUES DE CONTRÔLE DE LA QUALITE DE LA FLOCULAT ION
1. Mesure du potentiel zêta
2. Mesure de la turbidité
3. Méthode visuelle de Jar-Test
Injection de réactifs coagulants avec agitation rapide
Agitation lente pour favoriser les contacts interparticulaires
Coagulation-floculation
PRESENTATIONPRESENTATION
Suspension à traiterEffluent entrée / Influent
Suspension traitéeEffluent sortie / Effluent
PROCEDEPROCEDEDE DE
DECANTATIONDECANTATIONΩ Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω (surface au sol),(surface au sol),E (efficacitE (efficacitéé))
Q0C0
Caractéristiques de la phase liquide et solide connues
QeCe
Extraction de BOUESQuCu
v vitesse de chute dv vitesse de chute d’’ une particule de diamune particule de diamèètre dtre duuee vitesse dvitesse d’’ entraentraîînement de la suspensionnement de la suspension
Séparation liquide-solide par décantation
DECANTATION DEDECANTATION DE PARTICULESPARTICULESINDEPENDANTES OU GRENUESINDEPENDANTES OU GRENUES
Suspensions contenant des particulesindéformables
APPLICATION DE LOIS GENERALES(interactions fluide/solide)
DISTINCTION ENTRE DEUX TYPES DE DECANTATIONDISTINCTION ENTRE DEUX TYPES DE DECANTATION
DECANTATION GENEEDECANTATION GENEE
Suspensions contenant des particules instables ou floculées
RESULTATS EMPIRIQUESET SEMI-EMPIRIQUES
Séparation liquide-solide par décantation
DECANTATION GENEE
DECANTATION DIFFUSE
Pour de faibles concentrations particulaires (< 0.5 kg/m3)
- Modification de la structure des particules par contacts interparticulaires- Caractéristiques et probabilité de rencontre des particules fonction du temps de contact et de l’agitation mécanique préalable
RESULTATS EMPIRIQUES DECANTEUR PRIMAIRE
DECANTATION PISTON
Pour de fortes concentrations particulaires (> 1 kg/m3)
- Indépendante des caractéristiques individuelles des particules- Processus de décantation s’effectuant comme si des liaisons existaient entre les particules : mouvement d’ensemble de type piston
RESULTATS SEMI-EMPIRIQUES (Théorie de Kynch)DECANTEUR SECONDAIRE - CLARIFICATEUR - EPAISSISSEUR
Séparation liquide-solide par décantation
DECANTATION DEDECANTATION DE PARTICULESPARTICULES INDEPENDANTES OU GRENUESINDEPENDANTES OU GRENUES
Séparation liquide-solide par décantation
Mouvement de particules dans le champ de pesanteur
Chute libre d’une particule sphérique
Exemple de profil de chute d’une bille de verre de 216 et 100 mm de diamètre chutant dans de l’eau
0.0006 à 0.006 cm/h0.00001 à 0.0001Particule colloïdale
0.52 cm/h0.001Bactérie
0.014 cm/s0.01Argile
0.83 cm/s0.1Sable fin
10 cm/s1Sable
100 cm/s10Gravier
Vitesse de chute dans l’eauDiamètre d’une particule en mm
Matériau
Un volume d’eau peut contenir un nombre considérables de particules très diverses dont les vitesses de décantation sont très variables.
L’élimination des particules par décantation ne sera applicable industriellement qu’en combinant cette technique à un procédé préalable de floculation chimique ou biologique
Séparation liquide-solide par décantation
Une remarque …
La particule, que l'on considérera sphérique (masse volumique ρρρρs, diamètre dg), est soumise :
- à son poids P = ρρρρs ππππ dg3/6 g
- à la poussée d'Archimède Par = ρρρρ ππππ dg3/6 g
- à la force de traînée FT = ρρρρ ππππ dg2 v2/8 Ne
Mouvement de particules dans le champ de pesanteur
Chute libre d’une particule sphérique
P
Par
FT
( ρ, µ )( ρ, µ )( ρ, µ )( ρ, µ )
Attention :Attention :Si Si ρρρρρρρρss < < ρρρρρρρρ alors flottationalors flottation
P
Par
FT
Séparation liquide-solide par décantation
Equation générale de mouvement (premier principe de la mécanique) :
Si vitesse terminale de chute libre atteinte alors accélération nulle et :
γrr
×=∑ mFext
∑ = 0rr
extF
nn
ngsn
µa
dgv −
+−
×××××−×=1
12
3
)(4
ρρρ
Régime Domaine a n
STOKES Reg<1 24 1
ALLEN 1<Reg<1000 18.5 0.6
NEWTON Reg>1000 0.44 0
VITESSE TERMINALE DE CHUTE LIBRE
Mouvement de particules dans le champ de pesanteur
Chute libre d’une particule sphérique
nge eRaN −×=
Séparation liquide-solide par décantation
En LAMINAIRE
En TURBULENT
Mouvement de particules dans le champ de pesanteur
Chute libre d’une particule sphérique
µρρ
×−××
=18
)(2sgdg
v
ρρρ )(32 −×××
= sgdgv
AUGMENTER VAUGMENTER V
Séparation liquide-solide par décantation
VITESSE TERMINALE DE CHUTE COLLECTIVE
ρβρβρ ×−+×= )1(sa
)5.21( βµµ +×=a
βµµ ××= 82.110a
na
na
nasn
µa
dgv −
+−
×××××−×
=1
12
3
)(4
ρρρ
NOTION DE FLUIDE EQUIVALENT
• masse volumique apparente
• viscosité apparente
avec β<0.02 EINSTEIN
STEINMOUR
β fraction volumique en particules solides
Mouvement de particules dans le champ de pesanteur
Chute collective de particules dans un fluide
Séparation liquide-solide par décantation
REMARQUES
Problématique Rechercher v connaissant d, ρρρρ, ρρρρs et µµµµd connaissant v, ρ, , ρ, , ρ, , ρ, ρρρρs et µµµµ
or, v dépend du régime et Reg dépend de v !!!!!!
HYPOTHESE ET VERIFICATION APRES DETERMINATIONHYPOTHESE ET VERIFICATION APRES DETERMINATION
UTILISATION DE DIFFERENTS NOMBRES ADIMENSIONNELSUTILISATION DE DIFFERENTS NOMBRES ADIMENSIONNELS
Avec LIMITE DU REGIME DE STOKES X = 24 Y = 1/24
LIMITE DU REGIME DE NEWTON X = 440000 Y = 2270
)(4
3Re 32
ρρµρ
−×××××==
s
g
g
v
NeY
2
32
3
)(4Re
µρρρ
×××−××
=×=dg
NeX sg
Séparation liquide-solide par décantation
Décantation diffuse de particules instables
Pour de faibles concentrations particulaires (< 0.5 kg/m(< 0.5 kg/m33))
- Modification de la structure des particules par contacts interparticulaires- Caractéristiques et probabilité de rencontre des particules fonction du temps de contact et de l’agitation mécanique préalable
Décantation piston
Pour de fortes concentrations particulaires (> 1 kg/m(> 1 kg/m33))
- Indépendante des caractéristiques individuelles des particules- Processus de décantation s’effectuant comme si des liaisons existaient entre les particules : mouvement d’ensemble de type piston
DECANTATION GENEEDECANTATION GENEE
Séparation liquide-solide par décantation
Décantation diffuse de particules instablesPour de faibles concentrations particulaires (< 0.5 kg/m(< 0.5 kg/m33))
Décantation pistonPour de fortes concentrations particulaires (> 1 kg/m(> 1 kg/m33))
Séparation liquide-solide par décantation
DECANTATION DIFFUSE DE PARTICULES INSTABLESDECANTATION DIFFUSE DE PARTICULES INSTABLES
Séparation liquide-solide par décantation
DECANTATION DIFFUSE DE PARTICULES INSTABLESDECANTATION DIFFUSE DE PARTICULES INSTABLES
ESSAI EN EPROUVETTEESSAI EN EPROUVETTE
Hauteur 2 à 3 mDiamètre 20 à 30 cm
Prise d’échantillonsMesure Cz,t
Aucune formulation mathAucune formulation mathéématiquematiqueEssais de laboratoire Essais de laboratoire calcul empiriquecalcul empirique
Séparation liquide-solide par décantation
COURBES DCOURBES D’’ ISORENDEMENTISORENDEMENT
Temps
Profondeur
0
30
70
170
110
230
20% 30% 40%10%
50% 60%
0
,0, C
CCE tz
tz
−=
Séparation liquide-solide par décantation
Evolution du rendement de décantation en fonction d u temps pour H=95 cm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4Temps (h)
Effi
caci
té (
%)
Evolution de l'efficacité en fonction de la vitesse d'entraînement pour H=95cm
0
20
40
60
80
100
120
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 vitesse d'entraînement (m/h)
Effi
caci
té (%
) Vd = ue =H/td
avec
ue = Qe/ΩΩΩΩ
E vs. Vd (=H/td)
E vs. td
Qe, Ce
ue
vd
ΩΩΩΩ
Séparation liquide-solide par décantation
DECANTATION PISTONDECANTATION PISTON
Aucune formulation mathAucune formulation mathéématiquematiqueEssais de laboratoire Essais de laboratoire calcul empiriquecalcul empirique
ESSAI EN EPROUVETTEESSAI EN EPROUVETTE
V = 1 litreV = 1 litre
Séparation liquide-solide par décantation
Domaine I Il correspond à la durée initiale de floculation et est souvent inexistant si la floculation est rapide.
Domaine II C’est le domaine où les flocs commencent à se rassembler en flocons et oùla vitesse de décantation est constante.
Domaine IIIA partir du point b, interviennent les actions perturbatrices entre les flocons et les particules.
Domaine IVA partir du point c, les éléments solides isolés et les flocons sont en contact et forment des pseudo réseaux semi-rigides.Le liquide contenu est évacué à travers la masse des sédiments suivant les vides créés par ces pseudo réseaux et à la suite de glissements des couches de boues. Le domaine IV est appelée zone de compression et le point c est le point de début de compression.COURBE DE KYNCH
Séparation liquide-solide par décantation
THEORIE DE KYNCHTHEORIE DE KYNCH
AppliquAppliquéée aux domaines II et IIIe aux domaines II et III
LA VITESSE DE CHUTE D’UNE PARTICULE DEPEND UNIQUEMENT D E LA CONCENTRATION LOCALE C EN PARTICULES
Séparation liquide-solide par décantation
Application de la théorie de Kynch dans le domaine III
Détermination des couples Ci,Wi
i
iii t
Hhw
−= Vitesse de déplacement
de l’interfacei
ooi h
CHC = Concentration à
l’interface
t i
hi
H i
0
0,15
0,3
0,45
0 2000 4000 6000 8000
Temps
haut
eur
de l'
inte
rfac
e
INDICE DE MOLHMAN
IM = V/M(V pour 30mn avec M masse décantée)
Séparation liquide-solide par décantation
Equations de dimensionnement
Q0, C0
Qe, Ce
Qu, Cu
ΩΩΩΩ
C
C0
Cu
Lit de boues
Flux de particulesFlux de particules
JcJc = Q= Q00 x Cx C00 / / Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω = Q= Quu x Cx Cu u / / ΩΩΩΩΩΩΩΩ
Séparation liquide-solide par décantation
METHODE A FLUX CONTINU
Cette méthode fait intervenir le flux massique instantané extrait par unité de surface : Jc.
0,0E+00
2,0E-04
4,0E-04
6,0E-04
1 1,5 2 2,5 3 3,5
C en kg/m3
JC
Jc min
u
c
CC
wJ
11 −=
Séparation liquide-solide par décantation
Décanteur à flux vertical
Décanteur à flux horizontal
Décanteur à flux incliné
Décanteurs particuliers: décanteurs centrifuges
TYPES DE DECANTEURSTYPES DE DECANTEURS
Séparation liquide-solide par décantation
Q0, C0
Qe, Ce
Qu, Cu
ue
v
DECANTEUR A FLUX VERTICAL
ΩΩΩΩ
Q0 = Qe + Quavec Qu négligeable devant Q0
uuee = = QQee / / ΩΩΩΩΩΩΩΩ
w vitesse particule / paroiv vitesse particule / fluideue vitesse fluide /paroi
euvwrrr +=
w = v w = v -- uueev v ≥≥ uuee particule retenueparticule retenuev < v < uuee particule entraparticule entraîînnééee
w
ue va conditionner la classe des particules retenues
Séparation liquide-solide par décantation
Hypothèse : particules grenues
Régime laminaire
µρρ
×−××
=18
)(2sgdg
v
v v ≥≥ uuee particule retenueparticule retenueAvec Avec uuee = = QQee / / ΩΩΩΩΩΩΩΩ
Soit Soit vvHH = = uuee (particule de taille critique (particule de taille critique ddHH))
Toutes les particules dont la vitesse de chute Toutes les particules dont la vitesse de chute sera supsera supéérieure ou rieure ou éégale gale àà vvHH seront seront retenuesretenues
Toutes les particules dont le diamToutes les particules dont le diamèètre d sera tre d sera supsupéérieur ou rieur ou éégal gal àà ddHH seront retenuesseront retenues
ddH
P %
100%
PH
EV = 1 - PH
Séparation liquide-solide par décantation
DECANTEUR A FLUX HORIZONTAL
Q0, C0 Qe, Ce
v
ue
l
L
H
A = H x l avec ue = Q0 / A = Qe / AΩΩΩΩ = L x l car Qu négligeable
Séparation liquide-solide par décantation
DECANTEUR A FLUX HORIZONTAL
Toutes les particules de diamètre dH sont retenues dans le décanteur quel que soit y0
Les particules de taille plus grande ont une vitesse de chute plus importante et sont ainsi
également retenues quel que soit y0
Q0, C0 Qe, Ce
l
H
x
yL
y0 ue
v
Equation de la trajectoire d’un particule :
t = 0 x = 0 y = y0t x y
y = yy = y00 –– (v/(v/uuee) x) x
Trajectoire rectiligne car ue et v constantes
Equation de la trajectoire d’un particule de taille critique dH :
t = 0 x = 0 y = Ht x = L y = 0
0 = H 0 = H –– ((vvHH//uuee) L) L
H / L = H / L = vvHH / / uuee
vvHH = Q= Q00 / / Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω VITESSE DE HAZENVITESSE DE HAZEN
vH
ue
Séparation liquide-solide par décantation
Efficacité de rétention de la tranche dyo:
Eyo = 1 - Pyo
PPyoyo pourcentage pondpourcentage pondééral cumulral cumuléé de de particules de diamparticules de diamèètre tre éégal gal àà ddyoyo
Efficacité moyenne :vy0
ue
L
y0
x
y
Particule critique de diamètre dyo
dy0
∫ ××−=H
oyoH dyPH
E0
11
Or,yyoo / L = / L = vvyoyo / / uuee
dydyoo = L = L dvdvyoyo / / uuee
∫ ××−=H
o
v
yyoH
H dvPv
E0
11
vvH
P %100%
PH
H / L = H / L = vvHH / / uuee
Séparation liquide-solide par décantation
IMPORTANCE DE H/L
H / L = H / L = vvHH / / uuee
Plus H sera faible et plus les particules de petites tailles serPlus H sera faible et plus les particules de petites tailles seront retenuesont retenues
vvHH = = uuee H / n L H / n L
COMPARAISON DECANTEUR VERTICAL / HORIZONTAL
∫ ××+=HP
HVH dPv
vEE
0
1
Séparation liquide-solide par décantation
DECANTEUR A FLUX INCLINEDECANTEUR A FLUX INCLINE
d
αααα
L
lQ
x
y
vH
ue
αα cossin
1
d
Luv eH
+×=
A
Que =
Ω= Q
vH
dlA ×=)cos(sin αα
d
Ldl +××=Ω
ΩΩΩΩΩΩΩΩ
αααα
Séparation liquide-solide par décantation
Qe, Ce
L
ω
RR2R2
Dépôt de particules
Q0, C0
Anneau liquide
DECANTATION CENTRIFUGEDECANTATION CENTRIFUGE
r×= 2ωγ
Trajectoire d’une particule
)18
)(exp()
18
)(exp(
22
0
22
0 xu
drt
drr
e
sS
××−×××=
×−×××=
µρρω
µρρω
Particule critique
r 2
r 1)( 2
12
2 rrA −×= π
A
Que =
1
22
ln)(
18
r
ru
Ld e
sc ××
−×××=
ρρωµ
Séparation liquide-solide par décantation
Equipements et procédés
Paramètre prépondérant : charge hydraulique superficielle (chs) ou vitesse ascensionnelle en m3/m2.h
Décanteurs statiques sans raclage: bassins cylindro-coniques à flux vertical
Décanteurs circulaire raclés: hauteur comprise entre 2 à 3,5 m, diamètres de 50 à60 m maximum. Le fond des ouvrages possède une très légère pente (4 à 8 %) vers le centre pour faciliter la collecte des boues
Décantation simple
© Techniques de l’ingénieur – traité de Génie des Procédés
Décanteurs rectangulaires à flux horizontal:- Les ponts racleurs des décanteurs longitudinaux : raclage périodique vitesse ~ 3 cm/s, longueur de 60 à 80 m.- Les décanteurs à chaînes : raclage continu mais problème d’entretienGain de place mais extraction des boues plus difficile.Rapport longueur/largeur de 1 à 6 ; profondeur des bassin ~ 2,5 à 4 m ; pente = 1 %
Clarifloculateur : floculateur intégré au centre de la zone de décantation
Décantation simple
En règle générale, décanteurs dimensionnés avec une charge hydraulique ~ 1 et 2 m/h
© Techniques de l’ingénieur – traité de Génie des Procédés
Equipements et procédés
Décantation accélérée
Principe : le taux de rencontre des part.
Décanteurs à recirculation :Accelerator®, Turbocirculator® de Degrémont
Décanteurs lit de boue :Pulsator® de Degrémont
Turbocirculator®© Techniques de l’ingénieur – traité de Génie des Procédés
Equipements et procédés
Décantation lamellaire
Principe : la surface de décantation chs (15 à 20 m3/m2.h)
Densadeg® (Degrémont)
Floculation et épaississement
intégré des boues
Temps de séjour :10 à 12 mn(2 h pour un décanteur classique)
© Techniques de l’ingénieur – traité de Génie des Procédés
Equipements et procédés
loi de Stokes : paramètres clefs dparticules & ∆ρ (allégement par l’air des part.)
Dimensionnement : Deux paramètres chs et ratio Qs (cm3/g)flotteràsolidedeMasse
airdVolumeQs
'=
Meilleures technologies 5 < chs < 10 m/h
TechnologieTechnologieFlottation par insufflation d’air Flottation mécanique Aéroflottation
2 zones : brassage (mélange et agitation) puis émulsion (séparation)
Fines bulles d’air produites àtravers des diffuseurs poreux difficultés d’homogénéiser la taille des bulles (coalescence)
Industrie papetière, sidérurgie (graisses et huiles de rejet)
Dispersion mécanique de bulles d’air de 0,1 à 1 mm
Air introduit par un aérateur immergé
Consommation énergétique 100-150 Wh/m3 traité
Prédéshuilage d’effluents de raffinerie ou séparation d’élastomères ou latex contenus dans certains rejets industriels
Pressurisation de l’eau en entrée (3 à 6 bars) puis détente dans le clarificateurou pressurisation du débit de l’effluent clarifié recirculé
Microbulles (30-80 µm) formées meilleure efficacité
Procédé conseillé par les industriels (Degrémont, OTV…)
Cons. énerg. (40-60 Wh/m3)
Flottation
Equipements et procédés
Mêmes applications que pour la flottation par air dissousidem150 à 20050 à 100Électroflottation
• Hydrocarbures• Solvants• Fibres• Suspensions de fines particules floculées (effluents industriels et urbains)
20 à 3045 à 6040 à 70
Flottation par air dissous (ou
aéroflottation) avec 20 % de recirculation
Dégrossissage de suspensions de polymères, latex, élastomères
2 à 15100 à 200100 à 1 000Flottation mécanique
Élimination : huiles, graisses...2 à 520 à 30100 à 500Flottation par
insufflation d’air
Principales applicationsTemps de séjour (min)
Consommation d’énergie (Wh/m 3 traité)
Taille des bulles (µm)
Procédé
Caractéristiques techniques et applications des différents procédés de flottation
© Techniques de l’ingénieur – traité de Génie des Procédés
Flottation
Equipements et procédés
L’aptitude des boues à décanter : L’indice de Molhman
0.640.680.72 0.8 0.881.05Vmax(m/h)
300250200175150100IM (ml/g)
Dimensionnement :
- vitesse ascensionnelle 0.8 m.h-1
- hauteur comprise entre 2 à 3.5 m
© Techniques de l’ingénieur – traité de Génie des Procédés
Equipements et procédés
Clarificateur
Procédé Décantation
Agitation par herse verticale pour le mélange et le dégazage
Raclage du fond pour évacuer les boues
Paramètres :
Boues primaires : 80 à 100 g/l de MS
Boues aérobies : 30 à 35 g/l de MS
Boues mixtes : 40 à 60 g/l de MS
Epaississement séparé recommandé pour les grandes stations
Equipements et procédés
Epaissiseur
La filtration est une opération unitaire qui consiste à séparer une phase continue d'une phase dispersée en retenant la phase dispersée par un
support ou une masse poreuse
Le mélange à filtrer, c'est à dire la suspension, peut être :- un mélange solide+liquide (par ex. boue), - un mélange solide+gaz (par ex. fumée),
- un mélange liquide+gaz (par ex. brouillard), - un mélange liquide+liquide (émulsion)
Suivant le but recherché ( purifier la phase continue ou récupérer la phase dispersée ), plusieurs modes et techniques de filtration sont possibles.
On a choisi de distinguer les différents procédés d e filtration suivant qu'il s'agisse:
d'une filtration dans la masse ou d'une filtration sur support d'une filtration continue ou d'une filtration discontinue d'une filtration à débit constant ou d'une filtration à pression constante d'une filtration frontale ou d'une filtration tangentielle
Séparation liquide-solide par filtration
Filtration dans la masse
La suspension s'écoule au travers d'une masse poreuse qui se colmate en donnant un filtrat appauvri en phase dispersée.Au fur et à mesure de la filtration, on retient des particulesdans le milieu poreux et la porosité diminue
⇒ Si ∆∆∆∆P constant alors Q diminueSi Q constant alors ∆∆∆∆P augmente
Filtration sur support
Les particules vont se déposer sur le support et former un gâteau d'épaisseur croissante.
⇒ Si ∆∆∆∆P constant alors Q diminueSi Q constant alors ∆∆∆∆P augmente
SUSPENSIONSUSPENSION
SUSPENSION SUSPENSION TRAITEE TRAITEE
∆∆∆∆∆∆∆∆PP
SUSPENSIONSUSPENSION
SUSPENSION SUSPENSION TRAITEE TRAITEE
∆∆∆∆∆∆∆∆PP
FILTRATION DANS LA MASSE OU SUR SUPPORT
Séparation liquide-solide par filtration
FILTRATION CONTINUE OU DISCONTINUE
Filtration continueEn filtration continue, un support de gâteau (ou masse filtrante) se déplace lentement devant la suspension. Lorsque le gâteau est suffisamment épais (ou que le colmatage de la masse est assez important), on procède à l'enlèvement du gâteau (ou au décolmatagede la masse ou même à son remplacement si ce décolmatage est impossible ou non rentable) avec, le cas échéant, des étapes intermédiaires de lavage et essorage du gâteau.Ex.: Filtres rotatifs à tambour
Filtration discontinueEn filtration discontinue, on amène la suspension dans une capacité munie d'un support de gâteau (ou d'une masse poreuse). On arrête l'opération lorsque la capacité est remplie (ou lorsque le colmatage de la masse atteint le maximum tolérable). Il faut démonter le filtre, extraire le gâteau (ou décolmater, ou remplacer la masse filtrante) et remonter l'ensemble pour recommencer un nouveau cycle. Ex.: Filtres pressesLes filtres discontinus sont parfois équipés de systèmes plus ou moins automatiques destinés à supprimer ou réduire l'intervention humaine en fin de cycle.
Les filtres continus sont en général plus coûteux à l'achat que les filtres
discontinus, les frais de mis en œuvre ultérieurs étant par contre bien plus
réduits dans le premier cas que dans le second.
Séparation liquide-solide par filtration
FILTRATION A DEBIT CONSTANT, A PRESSION CONSTANTE
OU A PRESSION ET DEBIT VARIABLES
Filtration à débit constant
Le débit de filtration est maintenue constant tout au long de la filtration. La perte de charge au travers du milieu augmente au cours de la filtration traduisant le colmatage progressif du milieu.
Filtration à pression constante
La perte de charge (ou la différence de pression) appliquée au système est maintenue constante tout au long de la filtration. Le débit diminue au cours du temps traduisant le colmatage progressif du milieu.
Si on compare les performances obtenues suivant les deux modes de travail :
- Gain de débit à pression constante pour un même temps de
filtration,
- Dépense énergétique inférieure lorsqu'on travaille à débit constant.
Séparation liquide-solide par filtration
FILTRATION FRONTALE OU FILTRATION TANGENTIELLE
Filtration frontale
L'écoulement du fluide est perpendiculaire à la section d'ouverture du milieu.La résistance à l'écoulement augmente tout au long de la filtration.
Filtration tangentielle
Lors d'une filtration sur support, l'écoulement du fluide peut être tangentiel au support. Les particules sont alors soumises aux forces de pression mais également aux forces de cisaillement qui limitent l'épaisseur du gâteau. On peut ainsi travailler, en théorie, àpression et débit constant.
Séparation liquide-solide par filtration
COMMENT CHOISIR UN FILTRE ?
Étant donné la complexité des facteurs intervenant dans la plupart des problèmes de filtration, et bien que, dans le principe, il existe pour chacun d’eux un appareil approprié, on ne peut prétendre déterminer le filtre adéquat par la lecture de quelques tableaux ou abaques simplifiés.
Le plan d’étude d’une installation de filtration peut se résumerainsi :
a ) quel est le produit ?Définition de ses caractéristiques chimiques et physiques ;
b ) quel est le but de la filtration ?Définition de l’objectif àatteindre ;
c ) quels sont les impératifs de procédé ?Continu ou discontinu, travail en atmosphère inerte, stérile... ;
d ) quelles sont les règles de sécurité à respecter ?Sécurité despersonnes, protection de l’environnement ;
et, en fonction de ces éléments :e ) quels filtres faut-il choisir ?f ) quels sont les coûts comparatifs d’installation et d’exploitation? des matériels sélectionnés ?
PARAMETRES IMPORTANTS
Vitesse en fût vide U (débit Q/section ΩΩΩΩ)
Perte de charge ∆∆∆∆P à la traversée du milieu filtrant
OBJECTIFDéfinir les équations de fonctionnement
Définir les conditions optimales de l’opération
METHODOLOGIE
Rechercher ou introduire des lois d’écoulement et de séparation de phases sur et/ou dans des milieux filtrants
Séparation liquide-solide par filtration
SEPARATION LIQUIDE-SOLIDE PAR FILTRATION
LOIS GENERALES
Equation de Darcy – Définition de la perméabilité et de la résistance
Le milieu poreux assimilé à un faisceau de capillaire s
LA FILTRATION
La filtration sur support
La filtration dans la masse
Séparation liquide-solide par filtration
LOI DE DARCYLorsqu’un fluide s'écoule à travers un lit poreux, on peut admettre que le volume débité Q par unité de surface Ω est proportionnel à la charge ∆P et inversement proportionnel à l'épaisseur de la couche traversée Z
oB
ZR =
Bo Perméabilité [L2]Unité usuelle 1 Darçy =0.987 10-12 m2
R Résistance [L-1]F Perméabilité spécifique [L]
R
P
Z
BPQU o
×∆=
××∆
=Ω
=µµ
Z
BF o=
Ecoulement en milieu poreux ?Analogie avec un écoulement en conduite laminaire où :
Qd
Lv
d
LP ×
×××=×××=∆42
12832
πµµ
Séparation liquide-solide par filtration LOIS GENERALES
IMPORTANTIMPORTANT
La permLa permééabilitabilit éé BBoo et la ret la réésistance spsistance spéécifique cifique ααααααααcaractcaractéérisent le milieu poreux indrisent le milieu poreux indéépendamment de sa pendamment de sa
ggééomoméétrie apparente et notamment de ltrie apparente et notamment de l’é’épaisseur de la paisseur de la couche couche àà travers laquelle le fluide stravers laquelle le fluide s’é’écoulecoule
Si on considère le milieu poreux comme un empilement de particules,R est proportionnelle à la masse de particules déposées par unité de surface :
Ω×= M
R αoBM
Z 1××Ω=αavec
Avec αααααααα rr éésistance spsistance spéécifique cifique [LM[LM --11]]
Séparation liquide-solide par filtration LOIS GENERALES
LIMITES DE LLIMITES DE L’’ EQUATION DE DARCYEQUATION DE DARCY
a. Ecoulement radial
Ok pour certaines conditions souvent vérifiées
b. Cas des grandes vitesses d’écoulement
Analogie avec les écoulements en conduite :
Poiseuille plus applicable avec ∆∆∆∆P = Vn avec n = 1.8 à 2
En milieu poreux :
2UbUaZ
P ×+×=∆
Pertes dPertes d’é’énergie par nergie par frottements visqueuxfrottements visqueux
Pertes dPertes d’é’énergie dues nergie dues ààll ’’ inertie du fluideinertie du fluide
Séparation liquide-solide par filtration LOIS GENERALES
Milieu rMilieu r ééelel Milieu fictifMilieu fictif
zz
ΩΩΩΩ ΩΩΩΩ
U = Q / ΩΩΩΩ U = Q / ΩΩΩΩ
Bo, ag Bo, ag
)1(
444
εεε−×
×=××=×
=gp
a
moulliée
remplip aS
V
S
Vd
UT
Ump ε=
T
aN g
p ×××Ω××−
=επ
ε4
)1( 22
ZTZ p ×=
pppp ZdNS ×××= π
)1( ε−×== ga
p aV
Sa
g
pg V
Sa =
capillaire
ou pore
Séparation liquide-solide par filtration LOIS GENERALES
Ecoulement laminaire : Equation de KOZENY CARMANEcoulement laminaire : Equation de KOZENY CARMAN
On applique à chacune des Np pores en parallèle l’équation de Poiseuille :
γµ
××××
=∆ mp
p
p Ud
ZP
2
32
ZUahP gk ××−×××=∆3
22 )1(
εεµ
22 Thk ××= γavec
γγγγ coefficient de circularité : terme correctif qui tient compte de la non-circularité réelle des pores; il varie de 0.83 pour un pore à section en triangle équilatéral à 1.5 pour un pore à section en rectangle infiniment allongé.
hk constante de Kozeny: Kozeny a vérifié que, pour des particules sensiblement isométriques (dont les dimensions, prises suivant trois directions arbitraires, sont du même ordre de grandeur), pour lesquelles on rencontre des porosités variant de 0.3 à 0.6, hk gardait une valeur sensiblement constante, de l’ordre de 4 4 àà 55. Pour des porosités supérieures, comme on en rencontre fréquemment dans les milieux fibreux, hk prend des valeurs nettement plus élevées.
Séparation liquide-solide par filtration LOIS GENERALES
Equation de KOZENY CARMAN / Equation de DARCYEquation de KOZENY CARMAN / Equation de DARCY
ZUahP gk ××−×××=∆3
22 )1(
εεµ
oB
UZP
××=∆ µ22
3
)1( εε
−××=
gk
oah
B
Connaissant les caractConnaissant les caractééristiques de ristiques de ll ’’ empilement, il est possible de empilement, il est possible de
calculer la permcalculer la permééabilitabilit éé et la ret la réésistance sistance spspéécifique du milieucifique du milieu
s
gk ah
ρεε
α×
−××=
3
2 )1(
Séparation liquide-solide par filtration LOIS GENERALES
En rEn réégime turbulent ?gime turbulent ?
Passage en rPassage en réégime turbulent pour gime turbulent pour ReRepp’’ > 1> 1
Pertes dPertes d’é’énergie :nergie :
GGlissement visqueux sur les parois des poreslissement visqueux sur les parois des pores
Remous au niveaux des coudes (singularitRemous au niveaux des coudes (singularitéés) / mods) / modèèle de Burkele de Burke--PlummerPlummer
ZUahP gk ××−×××=∆3
22 )1(
εεµ 22 Thk ××= γ
ZUahP gB ××−×××=∆ 23
)1(
εερ
λβ
××=
8
3ThBavec hB = 0.3
Séparation liquide-solide par filtration
EQUATION DEQUATION D ’’ ERGUNERGUN
ZUahZUahP gBgk ××−×××+××−×××=∆ 233
22 )1()1(
εερ
εεµ
hk = 4.16 hB = 0.29
avec hk = 4.5
LOIS GENERALES
LA FILTRATION : LA FILTRATION SUR SUPPORT
EQUATIONS DIFFERENTIELLES DE BASE – cas d’une filtration idéale
ρ×ε×−−×ρ×ε−×ρ×ρ×ε−
=zsz
sz
s)s1()1(
s)1(w
Gâteau incompressible Les particules sont parfaitement rigides et ne peuvent pas être tassées εεεε constant dans toute l’épaisseur du gâteau
Vdt
dVW
dt
dVRpp g ××
Ω××=
×Ω××=−
221
αµµ
ENSEMBLE GATEAU + SUPPORT
∆∆∆∆P = p1 - p0 = ( p1 - p2 ) + ( p2 - p0 )
dt
dVRV
dt
dVWP s ×
Ω×+××
Ω××=∆ µαµ2
Filtration à débit constant ou à
pression constante
FILTRATION SUR SUPPORT
FILTRATION A DEBIT CONSTANT
dt
dVRV
dt
dVWP s ×
Ω×+××
Ω××=∆ µαµ2
dt
dVQ =
QR
tQW
P s ×Ω×+×
Ω×××=∆ µαµ
2
2
ααµαρε ×−×
××∆+
××
×−=
22)1(
12
ss
s
Rt
WPRZ
tQV ×=et
××−×
××∆+
×××Ω=
W
Rt
W
P
W
RV ss
ααµα 22
2
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION SUR SUPPORT
FILTRATION A PRESSION CONSTANTE
dt
dVRV
dt
dVWP s ×
Ω×+××
Ω××=∆ µαµ2
∆∆∆∆P constant
×−×
××∆×+
××Ω=
ααµα W
Rt
W
P
W
RV ss 2
2
Ω×∆×+×
Ω×∆×××=
P
RV
P
W
V
t sµαµ22
ααµαρεss
s
Rt
WPRZ −×
××∆×+
××−
= 2
)1(
12
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION SUR SUPPORT
FILTRATION A PRESSION CONSTANTE
Ω×∆×+×
Ω×∆×××=
P
RV
P
W
V
t sµαµ22 Rs et αααα
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION SUR SUPPORT
La filtration des suspensions très peu chargées (rapport massique solide sur liquide inférieur au millième) en particules de dimensions inférieures àcelles des pores du milieu filtrant, ne se fait pas
par formation d’un gâteau sur le milieu poreux, mais par dépôt dans la masse du filtre
Profil de rProfil de r éétention tention σσσσσσσσ et de concentration yet de concentration y
La concentration de la suspension diminue progressivement de l’entrée à la sortie du filtre. Les particules retenues s’accumulent dans les diverses couches du filtre et provoquent l’augmentation
de la perte de charge et une diminution de la capacité d’élimination du lit poreux.
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
1.1. Approche thApproche thééoriqueorique
Phénomènes physiques de transport et de capture : Mécanismes de contact
Phénomènes physiques de fixation
Equations de base de dimensionnement
2. IngIngéénierie de la filtration dans la massenierie de la filtration dans la masse
Généralités
Modes de filtration
Le milieu poreux
Mise en œuvre
Lavage des filtres
SUSPENSIONSUSPENSION
SUSPENSION SUSPENSION TRAITEE TRAITEE
∆∆∆∆∆∆∆∆PP
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
Phénomènes physique de transport et de capture : Mécanismes de contact
On peut distinguer trois cas limites selon la taille des particuOn peut distinguer trois cas limites selon la taille des particules filtrles filtr éées :es :
les grosses particules de diamètre supérieur à 30 mm, pour lesquelles les phénomènes de volume l’emportent sur les phénomènes de surface, sont retenues par blocage dans les rétrécissements de pores, dans les crevasses formées aux joints de grains ou dans les cavernes formées par les assemblages de grains ;
les fines particules de diamètre voisin de 1 mm, pour lesquelles les phénomènes de surface l’emportent ;
les particules colloïdales de diamètre voisin de 0,1 mm, pour lesquelles les lois de la physico-chimie colloïdale prennent toute leur importance.
Dans la plupart des clarifications industrielles, les particules ont des dimensions comprises entre 1 et 100 µm. Les phénomènes de surface et de volume interviennent alors simultanément.
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
Transport et captureTransport et capture
Trois types de capture dTrois types de capture d’’ une particule par le collecteur :une particule par le collecteur :
1. Transport par diffusion brownienne et interception
2. Interception
3. Sédimentation dans le champ de pesanteur
EfficacitEfficacitéé de rde réétention globaletention globale
ηηηηηηηη = = ηηηηηηηηDD + + ηηηηηηηηII + + ηηηηηηηηGG
3/2
3/165.5
××××××=
Udd
TkA
cSD µ
η
2
2
3
××=
cSI d
dAη
U
vSG =η
1
23
Filet
liquide
Fixation
Dépend des propriétés de surfaceForces répulsives / Forces attractives
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
Evolution de la perte de charge
monotone croissante
Evolution de l’efficacité
augmente puis diminue
MILIEU FILTRANT REEL
Particules retenues
qui agissent comme des collecteurs
QualitQualit éé du filtrat qui sdu filtrat qui s ’’ amamééliore pendant de longues pliore pendant de longues péériodesriodes
Pertes de charge induites par les petites particules supPertes de charge induites par les petites particules supéérieures rieures àà celles induites par de plus grosses particulescelles induites par de plus grosses particules
MODELISATION REPOSANT SUR DES HYPOTHESES SIMPLIFICATRICES
EQUATIONS DE DIMENSIONNEMENT – EQUATIONS DE FONCTIONNEMENT
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
EQUATIONS DE BILAN
EQUATION D’ISON
EQUATION DE BILAN DE MATIERE
EQUATION DE DARCY
CFdz
dC ×−=
dt
d
Udz
dC
m
σ×=− 1
mUkdz
dP ×=
FF Coefficient de filtrationCoefficient de filtration
k=k=µµ/B/B Coefficient de DarcyCoefficient de Darcy
dPdP Perte de pressionPerte de pression
CC Concentration en Concentration en particules particules dans ldans l’’ effluenteffluent
σσσσσσσσ Masse de particules Masse de particules retenues / volume de litretenues / volume de lit
Encrassement du filtre et concentration en particules dans l’ eau filtrée
Evolution des pertes de charge
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
QUALITE DE LA FILTRATION
PERTE DE CHARGE
0
P
Pt
P0
zZone encrassée
Zone non encrassée
z
0
P
P0
t
−×=
M
FFσσ
10
M
m CUFA
σ00 ××
=avec
M
M
a
k
k
σσ
σσ
−
×−+=
1
)1(1
0
( )
−×−×+××= ××− )1(1 0
00
tAzFm ee
F
azUkP
( ))11
10 −×+
−= ××−
×−
zFtA
tA
M ee
e
σσ
( ))11 0
0
−×+= ××− zFtA ee
CC
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
0
P
C
t
Crevaison
Maturation
P0
Cl
Pmax
t1t2
DUREE DE LA FILTRATION
t1 et t2 varient énormément en fonction de :
de la qualité et de la quantité de MES de l’eau à traiter de la texture du milieu filtrant de la vitesse de filtration du mode de lavage des filtres…
Pour un filtre idPour un filtre id ééal al tt11 = t= t22
Par sPar séécuritcurit éé tt11 > t> t22
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
Pour quPour qu’’ une filtration en profondeur soit efficace, il faut que :une filtration en profondeur soit efficace, il faut que :
- les particules de la suspension à traiter pénètrent profondément dans le lit et ne le bloquent pas en surface;
- la perte de charge maximale admissible ne soit pas atteinte trop rapidement pour rendre l’opération économiquement rentable;
- la texture et le hauteur de la couche filtrante permettent la rétention optimale des particules.
Suivant les caractSuivant les caractééristiques des particules ristiques des particules àà retenir et le degrretenir et le degréé de traitement dde traitement déésirsiréé, on peut être , on peut être amenamenéé ::
- à effectuer une filtration avec conditionnement préalable par adjonction de réactifs, combinés ou non avec une décantation;
- à filtrer (i) sur une ou plusieurs couches de matériaux homogènes mais de granulométries différentes(ii) sur une ou plusieurs couches de matériaux de granulométrie hétérogène et étagée.
Le bon fonctionnement dLe bon fonctionnement déépend pend éégalement de la parfaite rgalement de la parfaite réépartition partition ààtravers la masse filtrante de ltravers la masse filtrante de l’’ eau eau àà filtrer et des fluides de lavages.filtrer et des fluides de lavages.
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
Mode de filtration
Filtration lenteFiltration lente
Epuration des eaux de surface sans coagulation ni décantation préalable
Action de microorganismes ou algues qui agissent sur matières colloïdales et solubles
3 étages de filtration :- Filtres dégrossisseurs (> 5 mm voire qq cm) 20 à 30 m/j- Préfiltres (2 à 5 mm) 10 à 20 m/j- Filtres (< 0.5 mm) 3 à 7 m/j
Perte de charge réduite – lavage mensuel
Attention : Attention : - aux charges élevées dans l’eau brute,- au boom planctonique qui colmate les filtres en surface,- à la présence de micropolluants dans l’eau.
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
Mode de filtration
Filtration rapideFiltration rapide
L’eau traverse le milieu filtrant à des vitesses variant de 4 à 50 m/h
Filtration directeAucun apport de réactif 4 à 25 m/h
Filtration avec coagulation sur filtreAjout de coagulant et/ou adjuvant 4 à 10 m/h
Filtration d’une eau pré-coagulée et pré-décantée (procédé conventionnel)Traitement de finition et de sécurité 5 à 20 m/h
En filtration d’une eau résiduaire:Filtration classique
Traitement tertiaire 10 m/h et plus
Filtration biologiqueTraitement secondaire et tertiaire 2 à 12 m/h
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
Eau brute
Effluent
Eau brute
Effluent
Floculation
Eau brute
Effluent
Floculant
Eau brute
Effluent
Floculation
Decantation
Boues
FILTRATION DIRECTE FILTRATION AVEC COAGULATION
Le milieu poreux
Caractéristiques physiquesGranulométrieTaille effectiveForme des grainsCoefficient d’uniformité
milieu absorbant
Nature du milieu poreuxFiltration classique Sable quartzeuxFiltration bicouche Sable + anthraciteFiltration biologique Schistes expansées (biolite, pouzzolane, …)Filtration - adsorption Charbon actif
Choix des caractéristiques d’un filtre unicoucheGranulométrie / liée à l’ épaisseur et au mode de travail (vitesse de filtration)Epaisseur / t1=t2
Cas des filtres multicouchesExemple : Anthracite ou lave volcanique entre 0.8 et 2.5 mm 2/3 H
Sable entre 0.4 et 0.8 mm 1/3 H
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
Mise en oeuvre
Filtration gravitaire sur mono coucheClassement hétérogène du matériau
Filtration gravitaire sur filtre homogFiltration gravitaire sur filtre homogèènene
Taille effective constante sur toute la hauteurLavage air/eau
Filtration sur lit muticoucheEviter les inconvénients d’un filtre à couche hétérogène
Filtration gravitaire avec taille supFiltration gravitaire avec taille supéérieure au dessusrieure au dessus Filtration ascendante gravitaire avec taille supFiltration ascendante gravitaire avec taille supéérieure au dessousrieure au dessous
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE
Lavage des filtres
OPERATION TRES IMPORTANTEOPERATION TRES IMPORTANTE
Mode de lavageMode de lavageLavage par expansion à l’eau seuleLavage sans expansion par eau et air simultanémentLavage à l’eau et à l’air utilisés successivement (expansion)Lavage des filtres d’eaux résiduaires avec renvoi des eaux de lavage en tête de station
FrFr ééquence des lavagesquence des lavagesDépend de la nature de l’eau à filtrer
Consommation dConsommation d’’ eau de lavageeau de lavageDépend de la texture et de la nature du milieu filtrant2 à 3% du volume d’eau filtrée et ne doit pas excéder 5%
Séparation liquide-solide par filtration FILTRATION DANS LA MASSE