Principe de fonctionnement de la décantation: la vitesse de sédimentation

L’élimination des matières en suspension par sédimentation dépend de la taille et de la densité des particules. De plus, les particules suspendues dans un bassin de décantation peuvent rester en suspension si elles ont une densité proche de l’eau. En revanche, des particules très denses peuvent décanter dans le même ouvrage. Dans une 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. Et dans le domaine de l’eau, nous avons la décantation solide-liquide qui est largement répandue.

Cette méthode repose sur le repos d’un mélange solide-liquide pendant un temps défini. Ainsi, les particules solides se déposent au fond, créant alors une couche distincte. Son principe repose sur la séparation de deux liquides de densités différentes. Pour cela, on utilise un séparateur centrifuge ou un séparateur à gravité. Cependant, n’oubliez 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 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. Et 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 plus, elle dépend également de la différence de 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.

 

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.

Elle 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.

Que contiennent les effluents à décanter ?

Dans une usine d’épuration, tout dépend de l’endroit où l’on place le bassin de décantation et les objectifs de son 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 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 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.

Qu'est ce qui est collecté en sortie de décanteur ?

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 puisque le temps de séjour est l’un des principaux paramètres de la décantation. 

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 ajoutant un cône de décantation, on améliore le processus de séparation. Avec un fond plus profond, le décanteur digesteur est idéal pour stocker et réduire les boues. 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. En effet, celles-ci flottent à la surface du décanteur.

Dans un clarificateur, des boues flottent en surface à cause de la dénitrification. Et le surnageant contient souvent des particules, car toutes n’ont pas une densité supérieure à l’eau. De plus, toutes les particules ne sont pas piégées pendant la décantation. C’est ce qu’on appelle les flottants. Les flottants doivent être retenus pour optimiser l’opération de décantation. Leur présence nuit au bon 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. Les décanteurs lamellaires sont munis d’une goulotte équipée d’une cloison siphoïde. Les clarificateurs sont quant à eux munis d’un système de raclage de surface pour collecter les flottants.

Les boues

Tout dépend de la qualité de boue recherchée. 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. Une fois l’ouvrage de stockage saturé, les boues ne peuvent plus être éliminées. Elles finissent par se déverser dans la rivière d’une manière ou d’une autre.

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