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.

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, la décantation 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. 

En somme, La décantation est un processus physique de séparation des particules en suspension dans l’eau en utilisant la différence de densité entre les particules et l’eau. Il existe plusieurs types de décantation, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients. La décantation est généralement utilisée en combinaison avec d’autres méthodes de purification de l’eau pour obtenir une eau plus pure. Il est utilisé dans de nombreux processus de purification de l’eau pour améliorer la qualité de l’eau et prévenir la contamination de l’eau.

Principe de fonctionnement de la décantation

L’élimination des matières en suspension par sédimentation dépend de la taille et de la densité des particules. Les particules suspendues traversant un bassin de décantation peuvent rester en suspension si leur densité est similaire à celle de l’eau alors que des particules très denses traversant le même ouvrage peuvent décanter. En station d’épuration, on mesure l’aptitude d’une boue à la décantation grâce à l’indice de boues.

Les différents types de décantation

Il existe plusieurs types de décantation utilisés dans différents domaines industriels. La décantation est un procédé de séparation physique utilisé pour séparer des liquides de densités différentes ou des solides en suspension dans un liquide. Dans le domaine de l’eau, c’est la décantation solide-liquide qui est largement répandue. Cette méthode consiste à faire reposer un mélange solide-liquide pendant un certain temps, afin que les particules solides se déposent au fond, formant ainsi une couche séparée. Il existe également la décantation liquide-liquide, qui consiste à séparer deux liquides de densités différentes en utilisant un séparateur centrifuge ou un séparateur à gravité. N’oubliez cependant pas que les effluents à traiter contiennent très souvent une fraction flottante; Il faut aussi pouvoir l’extraire séparément. 

Comment la décantation sépare les particules solides des liquides ?

La décantation est un processus physique utilisé pour séparer les particules solides des liquides. Elle repose sur la différence de densité entre les deux phases, les particules solides étant plus lourdes que le liquide dans lequel elles sont en suspension. Le processus de décantation s’effectue en plusieurs étapes. Tout d’abord, on mélange les particules solides en suspension dans un liquide, puis on laisse reposer le mélange pendant un certain temps. Pendant ce temps, les particules solides perdent de leur énergie cinétique, se déposent au fond du récipient et forment une couche séparée. L’objectif, c’est que les particules perdent leur énergie cinétique pour qu’on puisse facilement les ramasser en fond d’ouvrage. Il est important de noter que la décantation ne peut pas séparer les particules solides de densité similaire à celle du liquide. Dans le cas, la filtration est à privilégier. Si les particules flottent, mieux vaut opter pour la flottation.

Les forces physiques qui permettent la décantation

La vitesse de sédimentation d’une particule est sa vitesse descendante théorique dans l’eau claire et stagnante. Une particule ne sédimentera que si:

  • Dans un flux longitudinal, le rapport de la longueur du réservoir à la hauteur du réservoir est supérieur au rapport de la vitesse de l’eau à la vitesse de sédimentation.
  • Dans un flux ascendant vertical, la vitesse de l’eau ascendante est inférieure à la vitesse limite de sédimentation.

La décantation suit ce que l’on appelle la loi de Stokes. Cette loi montre que la vitesse de chute d’une particule est proportionnelle au carré de la dimension de la particule et à la différence des masses volumiques entre la particule et le liquide.

Par conséquent, l’augmentation du diamètre des particules favorise la sédimentation de façon importante. C’est d’ailleurs pourquoi la floculation est une technique largement répandue dans le traitement de l’eau, que ce soit en assainissement ou pour la production d’eau potable.

Il y a des forces physiques qui jouent également un rôle dans la décantation comme la viscosité et le diamètre des particules. Si vous aimez les équations compliquées de Stockes et d’Allen, nous vous invitons à creuser cette partie sur Wikipedia, puisque nous n’avons pas l’intention ici de nous étaler sur les parties théoriques.

 

Augmenter la vitesse de sédimentation grâce à la coagulation floculation

La coagulation floculation est un processus utilisé pour augmenter la vitesse de sédimentation des particules solides en suspension dans un liquide. Il consiste à ajouter des produits chimiques, appelés coagulants, pour rendre les particules solides plus collantes et les faire se regrouper en flocons. Ces flocons sont plus lourds et plus faciles à séparer des liquides par décantation.

La coagulation floculation permet d’alourdir les particules et donc de limiter la taille des ouvrages de décantation. De plus, certains éléments comme le phosphore par exemple, sont précipités grâce à l’ajout de produits chimiques. Ils ne se retrouvent donc pas dans le surnageant. La clarifloculation, combinaison d’une coagulation floculation à une décantation, est largement répandue dans le traitement de l’eau. Elle permet de retirer efficacement les particules en suspension et les impuretés de l’eau. La coagulation floculation est un processus efficace pour augmenter la vitesse de sédimentation des particules solides et piéger certains métaux solubles. Elle permet aussi d’avoir les ouvrages les plus compatcs.

Que contiennent les effluents à décanter ?

Dans une usine d’épuration, tout dépend d’où est placé le bassin de décantation et quelles seront ses objectifs de traitement. Dans le cas d’une décantation primaire, celui-ci recevra des filasses, du sable, des graisses, de la boue primaire (terre) et des gros objets. Au contraire, les bassins de traitement tertiaire reçoivent essentiellement de l’eau traitée et contenant des flocs de boues en suspension (boues tertiaires).

Les graisses

Elles flottent! Si si je vous jure! Elles représentent aussi une fraction importante de la pollution carbonée reçue par une station d’épuration. Elles peuvent aussi colmater facilement les ouvrages de filtration. Il est important de les séparer le plus vite des eaux à traiter.

Les filasses

Les filasses consistent en un amas de cheveux, lingettes et autres tissus qui arrive par le réseau. Dans un bassin de décantation, une partie de celles-ci se mélange avec les graisses et forme une croûte qui flotte à la surface du décanteur. Cette croûte peut atteindre plusieurs centimètres d’épaisseur. Les filasses entraînent de nombreux bouchages de pompes. L’autre partie décante avec le sable.

Le sable

Lui aussi arrive par le réseau. Il est constitué de pierres de taille plus ou moins importante. S’il est correctement récolté, nettoyé et criblé, il peut servir de remblais par exemple.

Les gros objets

Gros morceaux de bois, bouteilles, canettes… Il est préférable de la éliminer dès de début du traitement. Un ouvrage de dégrillage grossier est largement suffisant.

Les matières en suspension (MES)

Qu’elles soient primaires ou tertiaires, elles sont à séparer de l’eau à traiter, afin d’obtenir le surnageant le plus propre possible.

Les éléments qui en ressortent

Le surnageant

Le surnageant, c’est la fraction de liquide que l’on récupère en partie supérieure du bassin de décantation : c’est la part clarifiée du liquide. Sa qualité dépend de divers paramètres, notamment :– la densité des particules à décanter
– le temps de séjour dans le bassin de décantation
– la forme de l’ouvrage de décantation.

 

Plus le décanteur est important, meilleure est la décantation puisqu’un des principaux paramètres de la décantation, c’est le temps de séjour.

En outre, pour améliorer la décantation de l’eau, il y a différentes possibilités. En rajoutant des lamelles dans celui-ci, on améliore la surface de décantation. On parle alors de décanteur lamellaire. En rajoutant un cône de décantation et un fond plus important, on aura un décanteur digesteur, idéal pour réduire les boues et les stocker. En Allemagne, la méthode la plus répandue est le bassin multi chambres (ou three chamber pit en Anglais, dreikammergrube en Allemand).

Les flottants

Dans un bassin de décantation d’une station d’épuration, nous retrouvons systématiquement des graisses. Celles-ci flottent à la surface du décanteur. Dans un clarificateur, une fraction des boues flotte à la surface du bassin, à cause de la dénitrification qui s’y produit. Très souvent, le surnageant contient encore ces particules, puisque toutes n’ont pas une densité supérieure à celle de l’eau et surtout, toutes ne seront pas piégées lors de l’opération de décantation. C’est ce qu’on appelle les flottants. Tous ces flottants doivent être retenus pour améliorer le fonctionnement global lors de l’opération de décantation car ils impactent négativement le fonctionnement d’une station d’épuration.

 

Pour retenir ces flottants, les fabricants mettent en place des barrières physiques pour les empêcher de traverser le bassin de décantation. Par exemple, dans les petites stations d’épurations, les décanteurs digesteurs ou les bassins à plusieurs chambres utilisent un tuyau té. Les décanteurs lamellaires sont munis d’une goulotte équipée d’une cloison siphoïde. Les clarificateurs sont quand à eux muni d’un système de raclage de surface pour collecter les flottants.

Les boues

Tout dépend de la qualité de boue recherché. Taille de l’ouvrage de décantation de l’eau, forme et volume vont impacter ses propriétés. Certains ouvrages ne sont destinés qu’à la collecte et l’extraction de celles-ci alors que d’autres sont aussi destinés à les stocker. Dans tous les cas, les boues sont à éliminer régulièrement. D’ailleurs, une fois l’ouvrage de stockage arrivé à saturation, les boues ne peuvent plus être éliminées et se retrouvent d’une façon ou d’une autre à la rivière.

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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