La vitesse de sédimentation

Un des facteurs majeurs de dimensionnement

Qu’est ce que la vitesse de sédimentation

La sédimentation est un processus physique de traitement de l’eau utilisant la gravité pour éliminer les solides en suspension de l’eau. Les particules solides entraînées en mouvement par la turbulence de l’eau peuvent être éliminées naturellement grâce à la sédimentation dans une étendue d’eau calme, comme des étangs ou des lacs. Les bassins de décantation sont des ouvrages construits dans le but de collecter les solides entraînés par la sédimentation. On utilise alors la vitesse de sédimentation pour dimensionner les ouvrages.

Ce qu’il faut retenir

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 partie théorique

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.

Nous invitons tous les matheux et fans de calculs alambiqués de creuser cette partie sur Wikipedia, puisque nous n’avons pas l’intention ici de nous étaler sur les parties théoriques.

Applications

En eau potable

La sédimentation dans le traitement de l’eau potable suit généralement une étape chimique de coagulation et de floculation, ce qui permet d’agglomérer les particules en flocs de plus grande taille. Cela augmente la vitesse de décantation des solides en suspension et permet de piéger et décanter les colloïdes.

En eaux usées

Le traitement primaire des eaux usées permet l’élimination des flottants et matières en suspension par la sédimentation. Les bassins primaires réduisent la teneur de matières en suspension ainsi que les polluants incorporés dans ceux ci. Cela a un impact direct sur la DCO et la DBO, mais quasiment aucun sur l’azote. Dans les petites stations d’épuration, par soucis et coûts et de simplicité d’exploitation, seule la vitesse de sédimentation sera mise en œuvre pour collecter ces polluants. En revanche, plus les grandes usines, la construction de bassins énormes ne présente aucune viabilité technico-économique, car l’emprise au sol devrait être si importante. C’est pourquoi les constructeurs mettent en œuvre des décanteurs lamellaires, couplés à l’action de coagulants et de floculants, afin de gagner en compacité.

Les cuves de décantation appelées «clarificateurs secondaires» éliminent les flocs bactériens créés dans certaines méthodes de traitement, comme les boues activées , les filtres bactériens et les disques biologiques.

Le principe de fonctionnement

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, l’aptitude d’une boue à la décantation est mesurée grâce à l’indice de boues.

 

Mesure de l’indice de boues (IB)

Les matières décantables sont mesurées grâce le volume visible accumulé au fond d’un cône d’Imhoff (ou une éprouvette d’un litre) après repos de l’eau pendant 30 minutes. Cette mesure permet d’apprécier l’aptitude d’une boue à la décantation :

  • Remplissez un litre d’effluent dans une longue éprouvette graduée
  • Laissez reposer 30 minutes
  • Lisez le volume de boues décantées (par exemple 440 ml)
  • Remélangez de tout et faites une mesure de concentration en matières sèches de l’effluent (par exemple 4 grammes MES / litre)
  • Dans notre exemple, indice de boues = 440 ml / 1 litre / 4 grammes / litre = 110 ml/g

Pour des stations d’épuration municipales de type boues activés, les valeurs typiques se situent entre 80 et 120 ml/g. Les valeurs sont largement supérieures pour les boues de mauvaise décantabilité, ce qui peut signifier par exemple que des bactéries filamenteuses  se sont développées. Lorsque l’IB est élevé, les concentrations de DCO, DBO, MES, et phosphore en sortie d’ouvrage de décantation sont plus élevées. Cela impactera le fonctionnement global du système.

 

Dimensionnement

Généralités

La vitesse de décantation permet de définir le temps de séjour nécessaire aux particules pour décanter dans le bassin, et ainsi de calculer le volume de celui-ci. La conception et l’exploitation d’un bassin de décantation revêtent une grande importance pour garantir la meilleure sédimentation des particules.  Premièrement, la réduction de la vitesse du flux autant que possible permet d’augmenter la vitesse de sédimentation. Par exemple, en élargissant le canal d’approche, et en utilisant une cloison siphoïde pour casser le flux. Deuxièmement, en conservant l’effluent pendant la plus longue période de temps possible, afin d’accroitre le temps de séjour.

Il existe aussi des installations mécaniques permettant d’améliorer la collecte des particules. Par exemple, des systèmes de chasses de flottants ou skimmer, ou encore des racleurs de surface. De la même façon, il est possible de collecter plus rapidement les particules sédimentées (ou boues) à l’aide de racleurs en fond d’ouvrage.

Le calcul de la surface du bassin

Les bassins de décantation doivent être conçus en fonction de la vitesse de sédimentation de la plus petite particule pour atteindre 100% d’élimination. En réalité, obtenir 100% d’élimination n’est pas atteignable dans les eaux usées, puisque la taille des particules n’est pas homogène, et parce que la taille du bassin serait tellement grande que ce ne serait pas un projet viable économiquement. Par conséquent, un taux d’élimination de 80 à 90% est fréquemment appliqué.

Pour une eau usée peu chargée, la vitesse de sédimentation généralement utilisée est de 0,4 m/h.

Il est ainsi possible de calculer la surface du bassin nécessaire. Par exemple, pour un débit de 14 m3/h, on devra avoir une surface de 35 m².

Les différents types de bassins

Les bassins de décantation peuvent être conçus de différentes manières. Des bassins grands et larges sont généralement utilisés pour de grosses charges hydrauliques. Ces mêmes types de bassin dotés de lamelles, permettent d’augmenter la surface de décantation, et ainsi de diminuer l’emprise au sol de l’ouvrage. On parle de décanteurs lamellaires.

Les clarificateurs 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).

Enfin, les décanteurs digesteurs sont aussi alimentés en partie centrale, et sont conçus comme des réservoirs ascendants. Ils sont dotés d’un cône Imhof pour séparer les boues et les stocker. C’est très souvent le cas pour les petites stations d’épuration. En Allemagne, une variante efficace à cet ouvrage est le bassin à plusieurs chambre (ou three chamber pit en Anglais, dreikammergrube en Allemand).

L’efficacité de la sédimentation ne dépend pas de la profondeur du réservoir. Si la vitesse en amont est assez faible pour que les particules décantées ne remontent pas à partir du fond du bassin, alors la surface de décantation est le paramètre principal de conception d’un bassin. La profondeur ne doit toutefois pas être trop faible.

Le temps de séjour dans le bassin

Dans un ouvrage de décantation, nous retrouvons quatre zones :

  • Alimentation : là ou l’effluent arrive
  • Décantation : zone où les particules de séparent du liquide
  • Accumulation : là où se forment les boues
  • Sortie : zone où l’eau traitée s’accumule et s’évacue

Pour s’assurer que ces quatre zones puissent s’installer dans l’ouvrage, il est nécessaire d’avoir un volume suffisant. Ainsi, le temps de séjour idéal est compris entre 30 minutes et 2 heures. Plus ce temps de séjour est important, meilleure sera la séparation des particules.

Prenons notre exemple précédent avec un débit de 14 m3/h en entrée. Si nous visons un temps de séjour d’une heure et quart, alors le volume devra être de : 14 x 1,25 = 17,5 m3.

Pour les petites stations d’épuration, il est recommandé d’avoir un temps de séjour de deux heures au moins pour la décantation primaire. Une heure sera suffisante en décantation tertiaire.

 

Les outils de dimensionnement

Dans la rubrique Outils, vous trouverez toutes les informations mathématiques et chiffrées qui vous permettront de dimensionner un projet.