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La décantation statique

vendredi 12 novembre 2010, par Amrouche

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 La Décantation statique

La décantation est une technique de séparation des matières en suspension et des colloïdes rassemblés en floc, après l’étape de coagulation-floculation. Cette technique est très répandue dans les usines d’épuration et de traitement des eaux.

Définition :
O.u. qui consiste à séparer des particules (solides ou liquides) qui se trouvent dispersées dans une phase liquide, en fonction de leur densité et de leur taille grâce à l’accélération de la pesanteur ou gravité(g).

 Principe :

Lors de la décantation, les particules, dont la densité est supérieure à l’eau, vont avoir tendance à s’accumuler au fond du décanteur sous l’effet de la pesanteur. Les particules seront éliminées du fond du bassin périodiquement. L’eau clarifiée se situant à la surface du décanteur est ensuite redirigé vers un filtre.

Paramètres de la décantation :

Lorsqu’on laisse tomber une petite bille d’acier dans une éprouvette remplie d’huile, on s’aperçoit qu’elle descend (décante) à une vitesse constante notée Vs (vitesse de sédimentation)
Au départ, la vitesse de la bille augmente de façon constante sous l’effet de l’accélération de la pesanteur (G) puis elle se stabilise pour rester à une vitesse constante (notée Vs) à cause des forces de frottement (dus à la viscosité du liquide) qui augmentent avec la vitesse.

La vitesse de chute des particules va donc être proportionnelle aux diamètres, à la masse volumique (de la particule et du liquide) et à l’accélération de la pesanteur tandis qu’elle est inversement proportionnelle à la viscosité dynamique du liquide selon l’équation de stokes.


Avec g : accélération de la pesanteur , delta p= masse volumique de la particule - masse volumique du liquide, d : diamètre apparent de la particule, n : viscosité dynamique du liquide

Les paramètres qui influencent la vitesse de la particule sont peu nombreux.

  • la taille des particules : on peut l’augmenter en ajoutant des agents floculant (sels d’aluminium en station d’épuration ou gélatine pour les jus de pommes)
  • la viscosité du liquide ; on peut la diminuer en chauffant le liquide

Un écoulement laminaire obligatoire

Pour que la décantation particulaire soit efficace, l’écoulement d’eau à l’intérieur du décanteur doit être laminaire. L’écoulement turbulent (utilisé dans les séparateurs à hydrocarbures) doit être proscrit !

L’écoulement LAMINAIRE est régulier et rectiligne

L’écoulement TURBULENT est désordonné et tourbillionnaire.

 
Description du procédé de décantation statique continu :

Fréquemment utilisé dans le cas ou les eaux sont très chargées en matières en suspension, la décantation est un procédé de séparation gravitaire des solides sédimentables ayant une densité supérieure à celle de l’eau.
L’eau à traiter entre dans le Décanteur par une cloison siphoïde et sort clarifiée par surverse (débordement).
Les matières décantées (boues ou bourbes ou décantat) sont extraites par purges dans le fond du décanteur.
Certains décanteurs sont équipés de racleur de fond pour une meilleure captation des décantats.

Les avantages :

Fonctionnement efficace avec des eaux à traiter dont les matières en suspension ont une densité supérieure à l’eau.
Exploitation simplifié par,dans la majorité des cas,l’absence de mécanique, utilisation de la force gravitaire.

Les inconvénients :

En décantation statique les surfaces sont assez importantes pour obtenir de bons résultats.
Inefficace lorsque les matières en suspension sont de densité inférieure ou égale à l’eau.
L’extraction des décantats entraine aussi de l’eau, ce qui augmente considérablement le volumes des boues collectées.
Possibilité de fermentation des matières organiques ,ce qui favorise la formation de pollution soluble.

 
Détermination du débit maximum d'alimentation Q<sub>max</sub> :


Il s’agit d’un fonctionnement continu.
Afin d’accélérer le processus et de traiter beaucoup plus de liquide, on alimente en continu (sans interruption) le bac et on récupère par débordement (surverse) le liquide clarifié. Entre l’entrée et la sortie du bac, la particule doit avoir eu le temps de décanter au fond. Cela signifie que la particule doit avoir atteint le fond du bac quand elle arrive à l’aplomb du débordement.

Le débit maximum d’alimentation (Qmax) est fonction de la surface (S) de base du décanteur et de la vitesse de sédimentation (Vs) des particules du liquide traité :

Qmax = Vs*S

(Q en m3/s ; v en m/s ; S en m2)

Remarque 1  : la hauteur du bac sert à l’accumulation des boues (H important si les particules décantent vite et inversement.)
Remarque 2  : on peut augmenter la capacité de traitement du bac en rajoutant des cloisons (ou lamelles) obliques pour augmenter artificiellement la surface décantation.

Démonstration de la formule donnant le débit limite Qmax

Etude de la trajectoire d’une particule dans un bac de décantation fonctionnant en continu

On peut représenter le bac en 3 dimensions :

On observe la diagonale qui schématise la trajectoire limite qui fait tomber la particule au fond du bac à l’aplomb du débordement. Cette trajectoire limite correspond au débit d’alimentation maximale Qmax qu’il ne faut pas dépasser !
On s’aperçoit que la trajectoire est parabolique (ici simplifiée sous forme d’une diagonale droite) car la particule est soumise à 2 vitesses :
• Une vitesse verticale = Vs= vitesse de sédimentation (comme en discontinu)
• Une vitesse longitudinale (VL) qui est proportionnelle au débit d’alimentation Qmax
On voit donc que V=Vs+VL
Vs se calcule avec la formule de la loi de Stokes (dépend des caractéristiques de la suspension)
VL dépend directement du débit d’alimentation ; on peut la calculer si on connait la section du bac (h*l) ; on sait que Qmax= VL*section c.à.d. Qmax=VL*h*l
c.à.d. VL= Qmax / (h*l)
Pour que la particule atteigne le fond à l’aplomb du débordement il faut qu’elle ait le temps de décanter c’est-à-dire qu’au maximum, la durée de passage (tL) = durée de décantation statique (ts)
Avec tL =L/VL et ts = h/Vs
On a donc tL =ts c.à.d. L/VL = h/Vs c.à.d. VL = Vs *L/h ;
Or Qmax= VL*section c.à.d. Qmax=VL*h*l avec VL = Vs *L/h ;
D’où Qmax= Vs *L*l ; or L*l = surface du fond du bac c.q.f.d

  Matériels & applications :

Le décanteur circulaire à racloir. Destiné aux stations d’épuration

Légendes :
A : Alim.en eaux grises
B : Sortie de l’eau clarifiée
C : Sortie des boues

Les eaux grises (effluents ) alimentent le bassin circulaire par le centre. L’eau clarifiée ressort en surverse par débordement. Un racloir de surface permet d’éliminer les souillures plus légères que l’eau (hydrocarbures, matières grasses). Un racloir de fond permet quant à lui d’éviter le durcissement des boues en les dirigeant vers le centre où elles seront aspirées par une pompe.
La faible hauteur par rapport au diamètre le spécialise pour les décantations lentes (particules très fines).

Le principe de fonctionnement des stations d’épuration est décrit dans l’article suivant

 
Conclusion

Pour accélérer la vitesse de décantation , on peut utiliser :

  • Le décanteur lamellaire : la zone de séparation flocs/eau et réalisé entre des lamelles ce qui permet une accélération du processus augmentation artificielle de la surface de séparation).

  • Le décanteur centrifuge : la séparation flocs/eau s’effectue par le biais de la force centrifuge.

Afin de vous auto-évaluer vous pouvez vous tester à travers le Quiz suivant

Selon toi, quelle(s) proposition(s) est(sont) exacte(s) ? Plusieurs réponses sont possibles !
Vous pouvez consulter le cours :
• sur la décantation statique en suivant ce lien
• Sur le fonctionnement de la station d’épuration en suivantle lien suivant

La décantation statique

-La décantation statique est une opération unitaire de séparation (2 pts) :





-Grâce à la décantation statique on peut (4 pts) :






-la vitesse de décantation des particules en suspension dans un liquide sera d’autant plus rapide (3 pts) :







-Lorsqu’on alimente en continu un bac de décantation statique (4 pts) :







-Dans un décanteur circulaire à racloir (2 pts)






-En station d’épuration, la 1ère décantation se nomme séparation physico-chimique (1 pt)





-la 2ème partie des traitements de la station d’épuration se nomme épuration biologique (2 pts) :






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