La décantation

Ou comment séparer ce qui flotte de ce qui coule

Qu'est ce que la décantation de l'eau?

Définition de la décantation en assainissement

Dans le traitement de l’eau, la décantation (ou settling en Anglais) est une opération qui permet de soustraire les particules en suspension de l’eau à traiter. C’est un procédé physique qui consiste à séparer les particules de densité plus lourde que l’eau, du liquide dans lequel elles se trouvent. Ces particules sont récupérées en fond de bassin. Dans une usine d’épuration, nous parlons de boues primaires dans le cas d’une décantation primaire en amont du traitement biologique. Nous parlons de boues tertiaires pour toutes les boues qui sont récupérées dans un ouvrage de traitement tertiaire, comme un clarificateur par exemple.

La décantation, c'est gratuit. C'est la gravité qui fait le boulot.

Nicolas MEUDAL

Importance de la décantation pour la purification de l'eau

La décantation est un processus crucial pour la purification de l’eau. Elle permet d’éliminer efficacement les impuretés telles que les sédiments, les matières en suspension et les débris organiques, améliorant ainsi la qualité de l’eau et prévenant la contamination. Parmi les 3 modes de séparation solides/liquides, la décantation est la plus simple et la moins onéreuse. Il est donc dommage de s’en passer. En utilisant la décantation, on peut s’assurer que l’eau est saine et sûre à utiliser, ce qui est crucial pour la santé humaine et l’environnement. En combinant cela avec d’autres méthodes de purification de l’eau, on peut obtenir une eau encore plus pure et sûre.

Utilisations courantes de la décantation

La décantation est utilisée dans de nombreux processus de purification de l’eau tels que l’assainissement, la production d’eau potable et l’aquaculture :
  • Dans le domaine de l’assainissement, elle est utilisée comme traitement primaire pour séparer les particules en suspension, comme traitement tertiaire pour concentrer les boues et améliorer la qualité de l’eau traitée avant rejet.
  • Dans la purification de l’eau potable, la décantation est utilisée pour protéger la filtration fine en éliminant les particules en suspension qui pourraient obstruer les filtres.
  • Elle est également utilisée dans l’aquaculture et la pisciculture pour concentrer les boues et améliorer la qualité de l’eau des bassins de culture.
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Applications de la décantation

Traitement des eaux usées : utilisation de la décantation pour éliminer les matières en suspension

L’utilisation de la décantation pour éliminer les matières en suspension est un élément important de ce traitement. Le traitement primaire des eaux usées avec un bassin tampon est recommander car cela permet de nombreux avantages:

  • Les bassins primaires réduisent la teneur de matières en suspension ainsi que les polluants incorporés dans ceux-ci. 
  • Il peut aider à lisser le débit sur la biologique, ce qui facilite la vie des micro-organismes épurateurs.
  • De plus, cela peut réduire la taille des équipements installés, notamment de l’aération biologique, ce qui peut entraîner des économies de coûts.
  • Enfin, il permet de faire des économies d’électricité car le tampon évite les pics de débits en période de pointe et élimine déjà une partie de la pollution carbonée.

Production d'eau potable : utilisation de la décantation pour éliminer les impuretés et protéger le filtre en aval

Pour garantir la qualité de l’eau, il est important d’éliminer les impuretés avant de la filtrer. C’est là que la décantation entre en jeu. Il s’agit d’un processus de séparation physique de la boue et des impuretés en suspension dans l’eau.  Elle consiste à faire flotter les particules en suspension pour les séparer de l’eau claire. Le processus se déroule en plusieurs étapes :
  • L’eau est lentement ajoutée à un réservoir de décantation, ce qui permet aux particules en suspension de se déposer au fond.
  • Ensuite, l’eau claire est pompée à partir du dessus du réservoir, laissant les impuretés au fond. Cette étape est importante car elle protège le filtre en aval et augmente son efficacité et sa rentabilité.
En effet, produire de l’eau potable et l’utiliser pour laver un filtre n’a pas de sens. Plus un filtre se lave et plus l’unité de production perd en efficacité et rentabilité. Donc pour éliminer les MES, les décanteurs lamellaires sont donc nécessaires en amont de la filtration afin de garantir la qualité de l’eau produite. Ils permettent d’éliminer les impuretés les plus grosses, ce qui réduit la charge sur le filtre en aval et augmente son durée de vie.

Aquaculture : concentration des boues en sortie de filtre à tambour

L’aquaculture consiste à élever des organismes aquatiques tels que les poissons, les mollusques et crustacés et même les plantes. Parce que 70% de la surface planétaire est recouverte d’eau, les humains ont compris son importance en tant que ressource. C’est pourquoi l’aquaculture est le plus exploitée au regard de l’utilisation de l’eau comme ressource et présente des défis uniques en matière de traitement des boues en sortie de filtre à tambour. Les boues produites par les systèmes de filtration à tambour sont très liquides, ce qui les rend difficilement concentrables. Cela pose un problème pour les opérateurs de l’aquaculture, car transporter des boues liquides coûte cher et nécessite un traitement adéquat pour préserver la qualité de l’environnement. C’est là qu’intervient un décanteur lamellaire. Ce type d’équipement permet d’augmenter la concentration des boues en sortie de filtre à tambour, ce qui facilite leur déshydratation.

Séparation des particules lourdes et des huiles des effluents industriels

La séparation des particules lourdes et des huiles des effluents industriels est une étape très importante. En effet, les effluents industriels peuvent contenir des substances nocives pour l’environnement et la santé humaine, telles que des métaux lourds, des produits chimiques et des huiles. Il est donc important de les traiter avant de les rejeter dans l’environnement.

 

De nombreux procédés utilisent des principes actifs qu’il est préférable de réutiliser. Par exemple, des jus de découpe contiennent une eau savonneuse, des huiles et les particules lourdes. Un décanteur lamellaire comme ceux que nous fabriquons permet de recycler séparément ces trois flux. Cela permet de minimiser la quantité de déchets produits et de maximiser les ressources réutilisées. D’où l’importance d’avoir une collecte séparée des flottants pour optimiser le traitement des effluents industriels.

Quels sont les différents types de décanteurs ?

Les décanteurs primaire et décanteurs digesteurs

Ces deux types de décanteurs jouent un rôle important dans le traitement des eaux usées. En effet, ils participe à l’élimination des polluants et les résidus organiques, ce qui peut améliorer la qualité de l’eau qui est rejetée dans l’environnement.

  • Les décanteurs primaires sont utilisés pour séparer les solides et les graisses des eaux usées. Ils fonctionnent en faisant circuler lentement les eaux usées à travers un compartiment où les gros déchets et les graisses se déposent au fond. Les boues sont ensuite retirées et envoyées aux décanteurs digesteurs pour un traitement supplémentaire.
  • les décanteurs digesteurs sont utilisés pour décomposer les matières organiques en substances plus simples à travers un processus de fermentation contrôlée. Ce sont des réacteurs biologiques qui utilisent des bactéries pour décomposer les matières organiques restantes dans les boues.
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Les décanteurs multi chambre tels que ceux qui sont utilisés depuis des années en Allemagne sont les plus performants.

Ils devraient être systématiquement inclus dans chaque station d’épuration. Il n’est pas forcément nécessaire de stocker dans la durée les boues mais au moins de pouvoir abattre une bonne partie de la pollution carbonée et de lisser le débit pour éviter les à-coups de charge hydrauliques et organiques. 

 

En général, les décanteurs multi chambre sont considérés comme plus efficaces que les décanteurs simples, car ils permettent une séparation plus complète des phases, ce qui peut réduire la quantité de boues produites et améliorer la qualité de l’eau traitée.

Les clarificateurs

Leur objectif principal est de séparer les solides en suspension dans l’eau et de produire une eau claire qui peut être utilisée ou rejetée sans danger. Les clarificateurs peuvent être conçus de différentes manières, mais leur fonctionnement général consiste à faire circuler lentement l’eau à traiter à travers une surface de sédimentation, ce qui permet aux solides de se déposer au fond du clarificateur. Ce sont généralement des ouvrages circulaires, alimentés par le centre. Ils permettent un épaississement des boues (typiquement après la partie biologique d’un traitement, pour séparer les boues de l’eau traitée). C’est l’ouvrage le plus répandu en traitement tertiaire mais il nécessite beaucoup d’emprise au sol. De plus, il est rare qu’un clarificateur soit équipé d’une récupération des flottants. Un décanteur lamellaire permet donc d’atteindre les mêmes performances qu’un clarificateur sur une surface 10 fois plus petite. Cependant, il est important de noter que les clarificateurs ne peuvent pas éliminer tous les polluants des eaux usées et qu’ils doivent être utilisés en combinaison avec d’autres traitements pour obtenir une eau complètement traitée. Enfin, il est important de choisir un clarificateur qui convienne aux exigences du site, telles que la taille, la capacité de traitement et les caractéristiques de l’eau à traiter.

Les décanteurs lamellaires

L’utilisation de décanteurs lamellaires est fréquente dans l’industrie de l’eau.

Contrairement aux clarificateurs, qui nécessitent beaucoup d’emprise au sol, les décanteurs lamellaires peuvent être installés dans des espaces réduits sans compromettre leur performance. Ils fonctionnent en utilisant des plaques inclinées pour séparer les effluents en trois flux : le surnageant, les flottants et les boues.

 

Le surnageant et les flottants sont envoyés à un système de traitement supplémentaire, tandis que les boues sont retirées pour un traitement ultérieur. Les décanteurs lamellaires sont équipés d’une goulotte spécifique de récupération des flottants qui permet une séparation plus efficace et une réduction de la quantité de déchets envoyés au système de traitement final. C’est le plus compact des ouvrages de décantation. Les décanteurs lamellaires peuvent être utilisés pour traiter un large éventail d’effluents industriels et municipaux et sont particulièrement utiles pour les applications où l’espace est limité.

Quand est-ce que la décantation n'est pas recommandée?

Faible sédimentation d'un effluent

La faible sédimentation d’un effluent peut poser un défi considérable pour son traitement adéquat.
  • Si l’effluent ne se sépare pas suffisamment en eau claire et en sédiments solides, il peut être difficile de le traiter efficacement et de réduire sa charge en matières en suspension. Avant d’envisager un ouvrage de décantation, il est recommandé de conduire un test de décantation pour évaluer la performance de l’effluent et déterminer les mesures nécessaires pour améliorer sa sédimentation.
  • Si la coagulation floculation est prévue en amont, ce test est précédé d’un jar test, qui permet de tester les dosages optimaux de coagulants et de floculants pour améliorer la sédimentation de l’effluent. En travaillant pour optimiser la sédimentation de l’effluent, il est possible d’améliorer considérablement la performance du système de traitement dans son ensemble.
  • Cependant, il peut être nécessaire de tester différentes approches pour trouver celle qui fonctionne le mieux pour chaque effluent spécifique.

Facteurs qui peuvent affecter l'efficacité de la décantation

La décantation est un processus crucial dans le traitement de l’eau, mais il peut être affecté par différents facteurs qui peuvent influencer son efficacité.

  • L’un des principaux facteurs est le débit important, qui peut entraîner une perte d’efficacité en raison d’un temps de séjour insuffisant pour la sédimentation des particules en suspension.
  • De plus, une faible concentration en matières en suspension (MES) peut également affecter l’efficacité de la décantation, car il peut être plus difficile de les séparer de l’eau claire. La température est également un facteur important à prendre en compte, car des variations de température peuvent affecter la solubilité des coagulants et des floculants et donc la formation de flocons.
  • Enfin, le pH peut également affecter l’efficacité de la décantation en influençant la charge de surface des particules en suspension et leur capacité à se coller entre elles.

Pour garantir une décantation efficace, il est donc important de contrôler ces facteurs et d’ajuster les dosages en conséquence.

Limitations en termes de capacité de traitement

La décantation peut être un processus très efficace pour la séparation de l’eau claire et des matières en suspension (MES), mais il peut y avoir des limitations en termes de capacité de traitement. En effet, même si un décanteur lamellaire peut avoir un rendement de 80 à 90% pour la réduction de la MES, il peut y avoir des situations où le taux de MES restant est encore élevé, supérieur à 30 mg/L. Dans de tels cas, il peut être difficile de satisfaire les exigences en matière de qualité de l’eau, sans recourir à d’autres étapes de traitement. C’est pourquoi, dans de tels cas, nous préconisons de combiner un filtre à tambour en aval d’un décanteur lamellaire. Ce système peut aider à réduire considérablement les niveaux de MES restants, en permettant une séparation supplémentaire des particules les plus fines, et en améliorant ainsi la qualité de l’eau. De cette manière, il est possible de garantir une qualité de l’eau conforme aux exigences réglementaires, tout en minimisant le coût et les conséquences environnementales du traitement.

Dimensionnement et coûts

Le stockage des boues

Pour améliorer la décantabilité de particules à séparer et donc améliorer le rendement, il est possible de rajouter des produits chimiques type coagulants et floculant. Plus une molécule est lourde, meilleure est sa décantation. Considérons par exemple du sable, il va très bien décanter! A contrario, des particules très légères comme des boues très aérées par exemple, vont décanter très doucement. Dans ces cas-là, on utilise ces fameux coagulants et floculants pour accroître la masse des particules et donc leur décantabilité. Certains procédés mettent en oeuvre du microsable en plus de l’action des coagulants et floculants.

Dans une usine d’épuration, le coagulant le plus souvent utilisé est le chlorure ferrique : FeCl3. C’est un liquide rouge orangé, très efficace et meilleur marché que les autres coagulants que l’on peut trouver.

En ce qui concerne les floculants, il y en a de tout types, et chaque type de boue à un floculant avec lequel elle réagit le mieux. Il faut tester plusieurs produits pour identifier le candidat idéal, en réalisant des jar tests.

 

En fait, dans le budget de fonctionnement d’une station d’épuration, les coagulants et floculants représentent un poste de dépense important.

Coagulants et floculants

Un autre paramètre important de dimensionnement est le temps de stockage des boues. Cela impacte directement les OPEX (coûts d’exploitation) et CAPEX (coûts de construction). Plus un bassin de décantation sera largement dimensionné pour le stockage des boues, plus il pourra en contenir, et plus faible sera la fréquence de vidange de celui-ci. En fait, plus on investit au départ (CAPEX), et plus on réduit les OPEX après. Comme dans tout projet, il vaut mieux avoir une vision long terme et estimer les coûts globaux. Certains décanteurs, comme le décanteur lamellaire, ne font pas fait pour stocker les boues, tandis que d’autres comme le décanteur digesteur sont dimensionné spécifiquement pour les stocker et les concentrer. Généralement, tous les ouvrages dont la vocation est de stocker des boues sont réalisés en béton. La concentration des boues dépend de son temps de séjour. Cependant, cette progression de la concentration n’est pas linéaire. Passé un certain temps, généralement 6 mois, la concentration ne varie presque plus. Pour autant, dimensionner largement un décanteur pour le stockage des boues peut permettre d’accroître la concentration de celles-ci de 50%! Donc, cela diminue d’autant le volume des boues et du coût les coûts d’exploitations! Enfin, passé une certaine taille de station, le volume de boues produites est tellement important qu’il faut envisager d’autres moyens d’extraction, comme la filtre à bande ou la centrifugation.

Les autres paramètres

Enfin, plusieurs autres éléments rentrent en compte. Par exemple : charge en DBO5, débit de pointe, volume tampon, volume de sédimentation, impact du FeCl3 et de la dénitrification… Tous ces paramètres influent le calcul d’un bassin de décantation de l’eau. Pour aller plus loin, nous avons créé un formulaire de dimensionnement en ligne d’un décanteur lamellaire, et un autre pour déterminer votre indice de boues et votre vitesse de Hazen!
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