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Université Chouaïb Doukkali Faculté des Sciences Département de Chimie El Jadid

Université Chouaïb Doukkali Faculté des Sciences Département de Chimie El Jadida Filière : Science de la Matière Chimie SMC Module : Génie de l’Environnement Semestre 6 Cours Techniques de traitement des eaux Pr. S. Tahiri Année Universitaire : 2019 / 2020 Techniques de traitement des eaux Pr. S. Tahiri 2 Sommaire Décantation Coagulation – Floculation Electrocoagulation Adsorption Procédés membranaires de filtration Filtration sur sable Désinfection des eaux Précipitation et flottation Procédés d’oxydation avancée Techniques de traitement des eaux Pr. S. Tahiri 3 I. Introduction La décantation a pour but de permettre le dépôt des particules en suspension dans l’eau, soit que ces particules existent dans l’eau brute, soit qu’elles résultent de l’action d’un réactif chimique ajouté artificiellement (coagulation, déferrisation, épuration chimique) soit encore qu’elles résultent d’une floculation physique liée à une action biologique (eaux résiduaires urbaines). La décantation primaire présente un intérêt certain en épuration des eaux. Sans addition préalable de réactifs chimiques, elle assure l'élimination par sédimentation des matières en suspension décantables (de taille généralement supérieure à 50 microns). Le phénomène de décantation peut se manifester différemment selon la concentration de la suspension, les caractéristiques propres des particules et les interactions possibles entre elles. On distingue deux types de matières décantables : Les particules grenues qui se sédimentent avec une vitesse de chute constante. Les particules plus ou moins floculées qui résultent d'une agglomération naturelle ou provoquée des matières colloïdales en suspension. II. Décantation des particules grenues Les particules grenues se sédimentent indépendamment les unes des autres, avec une vitesse de chute constante. Lorsqu’une particule grenue est laissée à elle-même dans un liquide au repos, elle est soumise à une force motrice, la pesanteur, et à une force résistance, la traînée du fluide, qui est la résultante des forces visqueuses et d’inertie. Fe = K .m .g avec K=1 force motrice (pesanteur) Fa =K .V .ρ .g poussée d’Archimède Fr = ½ .C .ρ .A .U2 force de frottement Fe + Fa + Fr = m. ∂U/∂t m. ∂U/∂t = Fe - Fa – Fr Avec : m : Masse de la particule V : Volume de la particule ρ : Masse volumique de liquide A : Surface de projection de la particule sur le plan perpendiculaire à la trajectoire C : Coefficient de traînée qui est lié au nombre de Reynolds Re par la formule C= a .Re-n (a et n sont des coefficients) ρs : Masse volumique de la particule Vs = UL : Vitesse limite de chute d’une particule de diamètre d Fe Fr Fa Décantation Techniques de traitement des eaux Pr. S. Tahiri 4 UL = [4. d. g .(ρs -ρ) / 3. C .ρ]1/2 Le nombre de Reynolds Re = UL . ρ . d/η Avec : η : viscosité dynamique. UL : vitesse limite de chute. d : diamètre de la particule. Le tableau ci-dessous donne les différentes valeurs de a, n et C en fonction du nombre de Reynolds. Re a n C Formule Régime 10-4<Re<1 24 1 24/Re de Stokes Laminaire 1<Re<103 18,5 0,6 18,5. Re-0,6 de Allen Intermédiaire 103<Re<4.105 0,44 0 0,44 de Newton Turbulent Dans un décanteur vertical, les particules dont la vitesse de sédimentation est supérieure à la vitesse ascendante du liquide seront retenues. Dans un bassin rectangulaire de profondeur H, une particule en suspension présente à la surface au moment de son entrée dans le bassin, décante avec une vitesse de chute constante Vs et atteint le fond du bassin au bout d’un temps : t = H/Vs Si SH est la surface horizontale du bassin et Q le débit horaire traversier, la capacité C du bassin sera: C = H . SH = Q . t Vs = H / t = Q / SH Toutes les particules ayant des vitesses de sédimentation supérieures à Vs seront complètement éliminées. Les particules ayant des vitesses V<Vs seront éliminées dans le rapport V/Vs. Zone d’entrée Zone de sortie Zone boueuse H V Vs Trajectoire de la particule L Techniques de traitement des eaux Pr. S. Tahiri 5 Charge hydraulique superficielle Ch (m/h): Débit horaire Q (m3/h) m2 de surface horizontale SH La valeur limite supérieure de Ch correspond à la vitesse de sédimentation Vs des particules. III. Décantation diffuse des particules floculées Les particules peuvent s’agglutiner (coalescence), elles floculent et décantent avec une vitesse croissante. Dans un bassin à flux hydraulique horizontal la trajectoire de décantation est curviligne. L’efficacité de la décantation diffuse est liée non seulement à la charge superficielle, mais au temps de décantation. Il n’existe pas de formule mathématique permettant le calcul de la vitesse de décantation. Des essais de laboratoire permettent de tracer les courbes des pourcentages d’élimination (P %) en fonction de la hauteur H et du temps. IV. Décantation freinée des particules floculées La décantation freinée est caractéristique des boues activées et des suspensions chimiques floculées quand leur concentration est supérieure à 500 mg/L. Les particules adhèrent entre elles et la masse décante en piston formant une interface entre les flocs et le liquide surnageant. Décantation en piston (freinée) dans un tube de hauteur et de diamètre suffisant (au minimum une éprouvette de 1 litre) Apparition de quatre zones a, b, c et d. A partir d’un certain état, les zones b et c disparaissent, c’est le point critique. a : Zone de clarification où le liquide est clair, b : Zone de suspension homogène, même aspect que la solution de départ, interface a – b nette, c : Zone de transition (pas toujours observable), d : Zone d’épaississement des boues. V Zone d’entrée Zone de sortie Zone boueuse H Vs Trajectoire de la particule L Techniques de traitement des eaux Pr. S. Tahiri 6 Lorsqu’on réalise une décantation en piston dans un tube de hauteur et diamètre suffisants, et que l’on mesure la couche supérieure de la boue en fonction du temps, on obtient une courbe « Courbe de KYNCH » qui présente des phases distinctes : A B H0 C D E Temps Hypothèse de Kynch : La vitesse de chute d’une particule ne dépend que de la concentration locale C en particules. Les différentes parties de la courbe signifient : A à B : La surface de séparation est plus ou moins nette, c’est la phase de coalescence des flocons. Cette phase est parfois inexistante. B à C : Partie rectiligne qui traduit une vitesse de chute constante V0 (pente de la courbe); lorsque la concentration initiale C0 en matières solides augmente, V0 diminue. C à D : Tronçon concave vers le haut correspond à un ralentissement progressif de la vitesse de chute de la couche supérieure du dépôt. A partir du point D: Les flocons se touchent et exercent une compression sur les couches inférieures. Zone d Zone c Zone a Zone b Techniques de traitement des eaux Pr. S. Tahiri 7 Dimensionnement du décanteur pour une décantation freinée La surface nécessaire pour la décantation : A = Q. tu / H0 A : Surface du décanteur (m2) ; Q : Débit d’alimentation du décanteur (m3/s) ; H0 : Hauteur initiale de l’interface dans la colonne (m) ; tu : Temps de décantation pour avoir une concentration désirée (s). H0 A B H0 C2 Hu D1 D E D2 tu Temps Le point C2 est l’intersection entre la bissectrice de l’angle formé par les deux tangentes et la courbe. La hauteur Hu correspond à la concentration en MES de sortie Cu. La valeur de Hu est donnée par la relation de conservation : Hu = C0 . H0 / Cu La détermination de la valeur « tu », permet de mesurer la surface du décanteur en utilisant la formule : A = Q. tu / H0 Vitesse d’affaissement de l’interface eau – boue : V = pente de la tangente initiale de la courbe H=f(t) Techniques de traitement des eaux Pr. S. Tahiri 8 Charge massique des solides (CM en kg/m2.j) Charge hydraulique (CH en m/h) Débit dans chaque canal = Q/N N : Nombre de canaux = Nombre de plaques Débit total Q = N * air d’une plaque * sinβ * U1 E Ep pa ai is ss si is ss se eu ur r à à p pl la at te ea au ux x i in nc cl li in né és s E Ep pa ai is ss si is ss se eu ur rs s c cy yl li in nd dr ro o- -c co on ni iq qu ue es s A Q C CM . 0 = A Q CH = Techniques de traitement des eaux Pr. S. Tahiri 9 - La couleur et la turbidité d’une eau de surface sont dues à la présence de particules de très faible diamètre : les colloïdes. - Les colloïdes présentent un diamètre compris entre 1 µm et 1 nm. - La vitesse de sédimentation de ces particules est extrêmement faible. - Le temps nécessaire uploads/Finance/ cours-genie-de-l-x27-environnement-techniques-de-traitement-des-eaux-smc-s6-pr-s-tahiri.pdf