Le bassin de décantation est un terme essentiel dans l'ingénierie environnementale et hydraulique. Il s'agit d'une structure ou installation destinée à éliminer les particules solides en suspension dans un liquide par le processus de décantation. Ce phénomène utilise la gravité pour séparer les particules de l'eau, ce qui rend l'eau plus claire. Une grande partie de l'eau que nous consommons provient des fleuves et des rivières ; avant d'arriver à notre robinet, les eaux des fleuves et des rivières sont filtrées puis décantées.
Typologie des matières décantables
Divers types de matières décantables sont à distinguer : les particules grenues décantent indépendamment les unes des autres avec chacune une vitesse de chute constante ; les particules plus ou moins floculées ont des tailles et donc des vitesses de décantation variables. Lorsque leur concentration est faible, la vitesse de chute augmente au fur et à mesure que les dimensions du floc s’accroissent par suite de rencontres avec d’autres particules, c’est la décantation diffuse. Pour des concentrations plus élevées, l’abondance des flocs et leurs interactions créent une décantation d’ensemble, le plus souvent caractérisée par une interface nettement marquée entre la masse boueuse et le liquide surnageant : c’est la décantation en piston, dont la vitesse est optimale dans une certaine zone de concentrations, au-dessus de laquelle on parle de décantation freinée.
La décantation des particules grenues : fondements théoriques
C’est le cas le plus simple, le seul facilement décrit par des équations. Lorsqu'une particule grenue est laissée dans un liquide au repos, elle est soumise à une force motrice FM (pesanteur diminuée de la poussée d’Archimède) et à une force résistante FT (traînée du fluide) résultante des forces de viscosité et d’inertie. La valeur de C, coefficient de traînée, est définie par la perturbation, elle-même fonction de la vitesse de chute. Cette perturbation est caractérisée par le nombre de Reynolds de grain. Si Re est petit, les forces de viscosité sont bien supérieures aux forces d’inertie. Si Re est grand, les forces de viscosité sont négligeables.
Ces formules sont à la base du calcul du mouvement des grains dans un fluide et sont utilisées en décantation (solides grenus dans un liquide, gouttes d’eau dans l’air), en ascension (bulles d’air dans l’eau, gouttes d’huile dans l’eau), en centrifugation, en fluidisation. En régime laminaire, la loi de Stokes pour une particule sphérique donne la vitesse de chute. Les phénomènes d’agrégation faisant croître d font donc très rapidement croître la vitesse de décantation. En régime transitoire, la loi de Allen donne également une vitesse croissante en fonction de la taille de la particule. Pour les matériaux « plats », il faut intégrer un facteur de sphéricité Ψ, modifiant le coefficient de traînée.
Conditions de capture et hydraulique des bassins
Si l’on considère un décanteur rectangulaire de longueur L, de section verticale S = H·ℓ (où H est la hauteur de l’eau et ℓ la largeur) et de section horizontale SH = L· ℓ, traversé uniformément par un débit Q, les conditions pour qu’il retienne une particule grenue décantant à la vitesse Vo dans une eau immobile dépendent du flux.
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Dans un décanteur à flux vertical, les particules dont la vitesse de sédimentation est supérieure à la vitesse ascendante du liquide sont retenues. Dans un décanteur à flux horizontal, la vitesse d’une particule entrant dans le bassin à son niveau supérieur a deux composantes : V1 (vitesse horizontale du fluide) et V0 (vitesse verticale de chute). La vitesse de Hazen (ou charge hydraulique superficielle) est exprimée en m3 · (h·m2)-1 ou m · h-1. Il est à noter que VH est indépendante de la profondeur du bassin. Toutes les particules ayant des vitesses de sédimentation supérieures à VH seront théoriquement éliminées. Toutefois, si l’alimentation en eau est répartie sur toute sa hauteur, une partie des particules ayant une vitesse de décantation V inférieure à la vitesse de Hazen sera aussi retenue dans le rapport V/VH. Théoriquement, à surface horizontale égale, un décanteur à flux horizontal permet donc la séparation d’un plus grand nombre de particules, bien que dans la pratique, cette différence soit atténuée par la difficulté de répartition hydraulique, l’accumulation des boues réduisant la section disponible, et, dans les bassins circulaires, la trajectoire curviligne des particules.
Décantation diffuse et décantation en piston
Le processus de décantation diffuse se produit dès que la concentration en matières floculées est supérieure à environ 50 mg · L-1. L’efficacité est liée non seulement à la charge hydraulique superficielle, mais aussi au temps de séjour. Il n’existe pas de formule mathématique permettant le calcul de la vitesse de décantation, seuls des essais de laboratoire et des méthodes graphiques permettent de la connaître.
Quand la concentration en particules floculées augmente, les interactions entre particules ne sont plus négligeables, elles décantent en « piston ». La floculation et la décantation peuvent s’en trouver d’abord améliorées (voir décantation à contact de boue) puis freinées au-delà d’une certaine concentration critique. Ce phénomène est caractéristique des boues activées et des suspensions floculées quand leur concentration est supérieure à environ 500 mg · L-1. L’observation visuelle dans une éprouvette d’un litre permet d’identifier quatre zones distinctes. L’évolution de la hauteur de l’interface en fonction du temps constitue la courbe de Kynch.
L’hypothèse fondamentale de Kynch est que la vitesse de chute d’une particule ne dépend que de la concentration locale C en particules. La courbe de Kynch se divise en plusieurs segments : de A à B (coalescence), de B à C (vitesse de chute constante), de C à D (ralentissement progressif) et à partir de D (compression). Les trois parties BC, CD et DE de la courbe de Kynch trouvent leur application dans le calcul des ouvrages en sédimentation freinée. La phase BC correspond au domaine des décanteurs à contact de boue, la phase CD est relative aux ouvrages où une concentration de la boue est recherchée, et la phase DE est exploitée pour l’épaississement de boues.
Caractérisation des boues : Indices de Mohlman
Un point particulier est considéré sur la courbe de Kynch, celui d’abscisse 30 minutes : l’indice de Mohlman (IM) est très utilisé pour caractériser la décantabilité des boues biologiques et donc pour le dimensionnement de leur clarificateur, voire le déclenchement de méthodes correctives si un foisonnement se développe. L’inconvénient de l’indice de Mohlman est qu’il dépend très nettement de la concentration initiale de la boue. Aussi, il a été proposé des méthodes permettant de définir un indice indépendant de cette concentration, comme l’indice de boue (IB) ou indice de Mohlman dilué (DSVI).
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Fonctionnement opérationnel des bassins de décantation
Les bassins de décantation fonctionnent principalement grâce à la gravité. Lorsqu'un fluide contenant des particules en suspension s'écoule dans le bassin, la vitesse de l'eau diminue, permettant ainsi aux particules plus lourdes de se déposer au fond. Les étapes clés incluent l'entrée du fluide, la réduction de la vitesse, la sédimentation et l'évacuation de l'eau clarifiée.
La réussite de ce processus dépend de la taille et de la densité des particules, de la viscosité du liquide et de la conception du bassin. Par exemple, dans le traitement des eaux usées, un bassin de décantation peut réduire la teneur en solides dans l'eau jusqu'à 80 %. Une conception optimale est essentielle pour accommoder les variations de débit saisonnier. Un aspect avancé à considérer est le calcul du temps de résidence hydraulique (TRH), qui détermine le temps moyen d'un fluide dans le bassin : TRH = V / Q. Un TRH plus long favorise une sédimentation plus efficace, mais nécessite plus d'espace et peut augmenter les coûts de construction.
Conception, dimensionnement et applications industrielles
Le dimensionnement d’un bassin de décantation repose sur le débit de traitement, le temps de résidence hydraulique, le type de particules et la vitesse de sédimentation déterminée par la loi de Stokes. L'utilisation de dégrilleurs en amont peut réduire la charge de travail du bassin en éliminant les grosses particules non décantables. Pour optimiser la conception, il est utile de modéliser différents scénarios hydrologiques, par exemple en utilisant des simulations informatiques pour évaluer l'impact de différents débits saisonniers et vérifier la durabilité structurelle.
Dans le domaine minier, l'utilisation des bassins de décantation est cruciale pour gérer les effluents et assurer la conformité environnementale. Ces bassins permettent de séparer et de traiter les solides en suspension générés par les processus miniers. L'optimisation du design peut inclure l'utilisation de simulateurs de fluides numériques pour modéliser les mouvements des particules et tester différentes configurations. Dans la pratique minière, les bassins de décantation sont utilisés dans une variété d'applications pour traiter les effluents chargés de particules fines. Par exemple, dans une mine de cuivre au Chili, un réseau de bassins a été créé pour gérer et recycler les eaux usées, réduisant ainsi l'impact environnemental.
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