traitement des eaux etape decantation

CoursCoursCoursCours : Traitement des Eaux I: Traitement des Eaux I: Traitement des Eaux I: Traitement des Eaux I OURIEMI SinaOURIEMI SinaOURIEMI SinaOURIEMI Sina

Chap. IIIChap. IIIChap. IIIChap. III---- La DcantationLa DcantationLa DcantationLa Dcantation page page page page ---- 21212121 ----

La Dcantation

IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction Les eaux naturelles ou uses charrient invitablement des matires en suspension de diverses tailles. Les prtraitements primaires visent diminuer la charge des eaux en M.E.S.

A/ Le prtraitement de dgrossissage

Les techniques de dgrossissage visent liminer les M.E.S. de tailles relativement grandes avant tout autre procd de traitement. On cite :

a. le dgrillage Des grilles mtalliques avec des cartements de 4 5 cm sont places au dbut de la chane de traitement afin dliminer les grosses particules.

b. le tamisage On fait parfois appel des tamis lentre des pompes afin de protger ces quipements. Le tamisage seffectue au moyen des tamis dont le vide varie de 1 1,5 cm.

c. le micro-tamisage Le micro-tamisage est une opration qui consiste faire passer un liquide contenant des impurets travers une toile de fils ou de fibre ou travers une masse poreuse.

Les micro-tamis peuvent retenir les plancton et les particules organiques et minrales assez grosses (taille suprieure celles des ouvertures). Mais ils narrtent ni les lments minraux fins (argile), ni les lments collodaux, ni les substances dissoutes. Le microtamisage namliore donc ni la turbidit cause par les fines particules ni la couleur de leau.

B/ La dcantation

Cest un procd de sparation solide liquide, utilis dans la plupart des usines dpuration et de traitement des eaux, ayant pour but dliminer les particules en suspension dont la densit est suprieure celle de leau. On distingue trois principales classes selon la nature de la suspension :

- la dcantation discontinue Dans ce type de dcantation (dite discrte ou individuelle) les particules conservent leurs individualits et leurs proprits physiques ( forme, dimension, densit) exp : cas du sable, des cendres volants et des particules de charbon.

- la dcantation floculante Ce type de dcantation est caractris par lagglomration des particules au cours de leur chute. Les proprits physiques des particules sont donc modifies pendant le processus.

- La dcantation en zone (cas dune suspension trop dense > 10 g/l)



Dans ce type de dcantation, les particules sdimentent en masse en formant des couches de particules se reposant les unes sur les autres. Do lapparition dune interface nette entre le solide dcant et le liquide.

I- Dcantation de particules discrtes

1- Principe : Une particule discrte de volume et densit constants en chute libre dans le vide tombe avec une acclration g = 9,81 m/s2. Quand cette chute a lieu au sein dun fluide, il faut tenir compte de la pousse dArchimde et dune force de rsistance au mouvement de la particule appele force de trane qui dpend essentiellement de la viscosit du fluide et de la vitesse de la particule. Lorsquune particule chute dans leau, sa vitesse augmente jusqu' ce que les forces dacclration (poids) quilibrent les forces de frottement. Cette situation correspond au point dquilibre : la somme des forces autour de la particule : 0

= extF

Avec : P : le poids de la particule gVgmP ppp == FA : la pousse dArchimde gVF pLA =

Ft : la force de trane 22p

Ltt

vACF =

O : - Vp : volume de la particule - p : masse volumique de la particule - L: masse volumique du liquide - A : aire de la section de la particule (surface de sa projection sur un plan orthogonal

lcoulement) - Ct : coefficient de trane - vp : vitesse de chute de la particule - g : acclration de la pesanteur.

2)(

2vV pLtLpp ACg =

do

Lt

Lppp AC

gVv

=)(

22

FA Ft

P



Pour calculer vp il faut connatre Vp, A et Ct donc la gomtrie exacte de la particule et le coefficient de trane Ct.

- Cas dune particule sphrique de diamtre d

6

3dVp = pi , 4

2dA = pi

Lt

Lpp C

gdv

=)(

342

vp augmente de tant plus que d augmente : la particule chute alors plus rapidement.

Le coefficient Ct est une fonction du nombre du Reynolds (Re) et de la forme de la particule. Avec

L

Lp dv

=Re

Pour les particules sphriques on a russi tablir certaines quations utiles :

a- quation de Stocks (Re 1) Dans le cas des particules sphriques trs fines en chute libre dans un liquide au repos ou en rgime laminaire, le physicien Stocks a dmontr que pour des nombres de Reynolds infrieurs ou gaux 1, le coefficient de trane Ct peut tre valu par lexpression suivante :

Re241 = te CR et par suite,

Lp

LL

Lpp

vd

dgv

= 24)(

342

Do

Lquation de Stocks est valide pour des particules sphriques ayant un diamtre se situant entre 1 m et 100 m.

b- Equation de Newton Pour des nombres de Reynolds suprieurs 500, Newton a montr que Ct 0,44. Dans ce cas, on obtient :

c- Equation des cas intermdiaires Pour des valeurs de nombre de Reynolds comprises entre 1 et 500, on a tabli lapproximation suivante

6,0Re5,18

=tC , do on obtient

2)(181 dgv

L

Lpp

=

L

Lpp

dgv

)(

74,1

=

Equation de Stocks

Equation de Newton



2- Calcul de la vitesse de chute dune particule de diamtre connu

Il semble impossible de faire le calcul de vp alors quil faut connatre cette valeur pour calculer Re et de l faire le choix de lquation approprie.

Par manipulation algbrique, on arrive dfinir le critre suivant :

31

2(

=

L

LpL gdK

Ct Equation vp

K 2,6 Re24

Stocks 2)(181 dgv

L

Lpp

=

2,6 K 44 6,0Re

5,18

Cas Intermdiaires 43,029,0

71,014,171,0 )(153,0

LL

Lpdg

45 K 0,44 Newton L

Lpdg

)(74,1

Tableau 3-2 : taille de certaines particules Tableau3-1 : densit relative de certains matriaux

Application Calculer la vitesse de chute dun grain de sable de diamtre 0,1 mm dans leau stagnante

5 C (e = 10-3 P.s et e = 1000 kg/m3).

43,029,0

71,014,171,0 )(153,0

LL

Lpp dgv

=

31

2

(

=

L

LpL gdK

Particule Diamtre (mm) Gravier 2 - 10 Sable grossier 0,5 2 Sable moyen 0,25 0,50 Sable fin 0,10 0,25 Sable trs fin 0,05 0,10 Bactries 0,001 Argile 0,0001 0,005

Matriau Densit relative Sable de silice 2,65 Graviers silice 2,65 Matriaux divers 1,03 2,65 Argile hydrate 1,03 Bactries , algues 1,01 Matriaux organiques 1,01 1,50 Flocons dalumine 1,01 1,18 Flocons ferriques 1,05 1,34



3- Particule moins dense que leau : flottation

Contrairement la clarification, la flottation est un processus de sparation liquide-liquide ou solide-liquide que l'on applique des particules dont la densit est infrieure celle du liquide dans lequel elles sont contenues.

Il y a trois types de flottation : flottation naturelle, aide et induite.

flottation naturelle flottation aide flottation induite Applicable si la diffrence de densit est naturellement suffisante pour la sparation.

On utilise ce terme lorsque des moyens extrieurs sont utiliss pour faciliter la sparation de particules qui flottent naturellement.

Lors d'une flottation induite on diminue artificiellement la densit des particules pour leur permettre de flotter. Cette opration est base sur la capacit qu'on certains liquides ou solides se lier avec des bulles de gaz pour former des particules gazeuses ayant une densit infrieure au liquide.

Les quations tablies pour les particules plus denses que leau restent valables pour la flottation en ignorant le signe (-) ou en prenant )( pL au lieu de )( Lp .

Application Dcrire le comportement dun globule de ptrole de diamtre 1mm et densit 0,894 dans

une eau statique 20 C (e = 10-3 P.s).

4- Calcul de la taille dune particule dont la vitesse de chute est connue On procde ce calcul, en posant lhypothse que lune des trois quations sapplique. On vrifie, ensuite, lhypothse avec le calcul de K. Si lhypothse savre fausse, on utilise une autre quation, la plus probable partir de la valeur de K.

Application Quelle est la taille dun floc dalumine hydrat (densit = 1,18) dont la vitesse de chute est de 0,004 m/s.

5- Calcul dun bassin de sdimentation (dcanteur) parfait

Le dimensionnement des bassins de sdimentation peut se faire laide de la thorie du dcanteur idal. Les hypothses suivantes sont pralablement admises :

1) Les dispositifs dadmission et de la sortie assurent une quirepartition. 2) Le courant est dpourvu de turbulence (Rgime dcoulement laminaire). 3) Les particules en suspension dans leau larrive sont uniformment reparties et

obellissent aux lois de sdimentation dcrites ci-dessus. 4) Une particule est considre comme tant retenue lorsquelle atteint le fond du bassin.



Le schma ci dessous, reprsente un dcanteur coulement horizontal parfait. Il sagit dun bassin rectangulaire fond horizontal.

H : la profondeur L : la longueur w : la largeur

Figure 1 : Dcanteur rectangulaire fond horizontal

Le bassin comprend une zone de dentre, une zone de sortie et une des boues. La vitesse dcoulement est constitue de deux vitesses selon les directions x et y ( vH et vp). La composante horizontale vH : vitesse dcoulement horizontal (vitesse traversire).

Dans un tel bassin, les paramtres sont les suivants : S : aire de surface horizontale du dcanteur, S = L.w A : aire de la section transversale, A = H.w Q : dbit volumique de leau traiter vH : vitesse dcoulement horizontale de leau,

A

Qv H =

vp : vitesse de chute dune particule v0 : vitesse verticale limite caractristique du dcanteur.

Pour quil y ait sdimentation complte de toutes les particules ayant une vitesse de chute v0, il faut que les dimensions du bassin soient calcules de faon que les particules parvenant au bassin une hauteur H, puissent atteindre le lit des boues avant la sortie.

La position de ces particules est dfinie par tA

Qtvx H ==

tvHy = 0 La condition limite correspond x = L et y = 0

tHvtvHy === 00 0

QALtLtA

Qx ===

Zone dentre

Zone de dpt des boues

Zone de sortie

H h

L

v0



do lLQ

lHLQH

ALQH

v

=

=

=0

SQ

v =0

HL

Q

A

Qv H

==

LlQ

SQ

v

==0 : vitesse de dcantation limite (charge hydraulique superficielle).

On constate que la vitesse limite de dcantation 0v ne dpend pas de la profondeur du bassin

Lorsque les particules de diverses dimensions sont uniformment introduites sur toute la hauteur du bassin, les particules ayant une vitesse verticale suprieure ov seront totalement limines. Tandis que les particules ayant des vitesses vi



Remarques:

On a vu que la profondeur H nintervient pas dans le calcul du bassin idal. En pratique, on utilise une hauteur raisonnable pour les raisons suivantes :

- Pour ne pas remettre en suspension les particules dj sdimentes. - Pour faciliter le retrait mcanique des boues.

la vitesse dcoulement traversire AQ

ve= ne doit pas excder une certaine valeur limite au-del de la quelle on remet en suspension les particules dj sdimentes. Cette vitesse limite ve,l est donne par lquation empirique suivante :

21

18

=

f

sdgv lH

).(..,

VH,l :en mm/s est la vitesse limite qui remet les particules de d. : constante gale a 0,04 pour le sable. f : facteur de friction : 0,03 pour le bton. g = 9800 mm/s2. d : diamtre de la particule en mm. s : la densit de la particule.

II- Dcantation floculante

En pratique, on a surtout affaire la dcantation des particules floculantes caractrises par lagglomration des particules durant leur chute. Les particules qui rsultent de cette agglomration sont la fois plus grosses et moins denses que les particules initiales et leur sdimentation se fait avec une vitesse croissante.

Figure 3 : vitesse de dcantation des particules floculantes

1- Essai de dcantation en colonne

La modification continue des caractristiques des particules au cours de leur chute rend la conception dun modle mathmatique beaucoup plus complexe. On doit donc, dans la plupart des cas procder des essais de laboratoire. Grce lessai de dcantation en colonne, on peut simuler en laboratoire les conditions de dcantation dune solution dilues des particules floculantes.



La ralisation de ces essais se fait dans une colonne de dcantation de diamtre 15 cm et dune hauteur gale la profondeur du dcanteur (entre 1,8 et 2,4 m). Des prises dchantillons sont effectues des distances d1, d2, d3,...de la surface, intervalles rguliers (gnralement 0,6 m, 1,2 m et 1,8 m).

Le prlvement dchantillons permet de tracer des courbes de mmes pourcentages dlimination des particules. Celles-ci permettent dvaluer le pourcentage des particules limines dans le bassin idal de dcantation en fonction du temps de rtention des diverses profondeurs.

Figure 5 : Courbes de mmes pourcentage dlimination des particules

A partir de ces rsultats, on peut valuer le pourcentage dlimination des particules limines par un bassin idal de dcantation, en fonction de divers temps de rtention et de divers profondeurs, laide de lquation suivante :

H

15 cm

Figure 4 : Colonne de dcantation



2221322211 )(....

)()( ++

++

+

+

+

=

nnn RR

H

hRR

H

hRR

H

hR

O - R : pourcentage total des particules limines dans un bassin idal (rendement) - Ri : pourcentage de particules limines dans un bassin de dcantation idal une

profondeur hi et aprs un temps t. - hi : hauteur moyenne entre deux courbes de mme pourcentage dlimination des

particules. - H : la hauteur totale de la colonne.

Des couples de temps de sjours et de charge superficielle sont associs divers rendements dlimination des particules. Ceci permet de tracer des graphiques de temps, de charge superficielle en fonction du rendement.

Figure 6 : Variation du temps de rtention et de la charge superficielle en fonction du rendement

2- Application Un essai de dcantation en colonne est ralis au laboratoire a donn les rsultats prsents dans le tableau suivant :

Temps (min) Pourcentage dlimination (%) 0,60 m 1,20 m 1,80 m

10 20 30 40 70

31 59 63 69 73

18 49 60 65 69

15 40 55 60 68

Rendement (%)

Tem

ps de

r

ten

tion

(m

in)

Char

ge su

perfi

ciel

le



Quel est le pourcentage des particules limines dans un bassin dont la profondeur utile est 1,8 m et de priode de rtention de 25 min ?

Solution a- On trace le graphique des courbes disorendement b- On calcule le rendement en utilisant lquation donne dans le paragraphe prcdant

Soit R = 63 %

Figure 7 : Dcanteur longitudinal pont racleur

Figure 8 : dcanteur longitudinal chane

traitement des eaux etape decantation

Documents