L’évolution en matière de décantation est constante depuis des décennies. La figure 1 schématise l’évolution des grandes familles de la décantation et l’application qui en a été faite par notre société. La décantation « statique » a tout d’abord été améliorée par l’augmentation artificielle de la concentration en boue floculée : les techniques mises en œuvre ont concerné la recirculation des boues ou encore l’utilisation d’un appareil à lit de boue.
Une autre évolution a été l’application plus ou moins systématique des modules lamellaires (ou tubulaires, ou de plaques parallèles), à de très nombreux types de décanteurs, quel que soit leur principe de fonctionnement hydraulique.
Ces lamelles remplissent un rôle double :
- augmentation des débits hydrauliques (ou réduction de la surface de décantation),
- amélioration de la qualité de l’eau clarifiée.
L’existence ou non de lamelles est habituellement considérée comme le premier critère de classement des décanteurs. En fait, la classification suivant l’hydraulique de l’appareil, associée ou non à une coagulation-floculation intégrée apparaît également judicieuse. Le tableau 1 rassemble, pour chaque catégorie décrite ci-dessous, quelques exemples de décanteurs mis au point au cours des dernières années, et leurs performances typiques dans le traitement de clarification d’eau de rivière.
LES DÉCANTEURS STATIQUES
Sont rassemblés sous ce vocable les décanteurs ne faisant pas intervenir les procédés destinés à optimiser la floculation au sein du décanteur. Ce sont essentiellement des décanteurs dits « statiques » qu’ils soient circulaires ou rectangulaires, raclés ou non. Ces décanteurs sont généralement du type à flux horizontal.
Ces appareils doivent être précédés d’un ou plusieurs organes de floculation et les conditions d’injection des réactifs de clarification (coagulant et floculant) doivent être soigneusement optimisés. Dans le cas de décanteurs circulaires, le floculateur peut être intégré dans la zone centrale du décanteur.
Les vitesses hydrauliques sont comprises entre 0,5 et 2 m h⁻¹ ; l’épaississement des boues est faible (moins de 5 g l⁻¹) et leur extraction automatique est souvent difficile.
LES DÉCANTEURS À LIT DE BOUE
Principe
Dans les décanteurs à lit de boue, les boues formées par la floculation constituent une masse en expansion à travers laquelle l’eau passe de manière régulière et uniforme. De cette façon, on augmente les chances de rencontre des particules colloïdales qui traversent une zone plus concentrée en flocs (« sweep flocculation »). L’eau brute à traiter est introduite à la base du lit de boues et flocule en passant à travers le « lit filtrant », rencontrant progressivement.
Des couches de plus en plus denses et concentrées. Au bout d’un certain temps, on observe une masse compacte de boue tassée, au sein de laquelle l'eau s’est créé des passages préférentiels dus aux courants de densité.
Dans ces conditions, il n’y a plus de contacts efficaces ; par contre, si on effectue l’admission de l’eau d’une manière intermittente (ou « pulsée »), on observe que la masse de boue se maintient en suspension régulière par suite de l’apport d’eau à fort débit pendant un court instant, suivi d'une période de repos. On aboutit ainsi à l’obtention d'une masse de boue homogène en tous ses points.
C'est le principe de base du décanteur Pulsator et qui est aujourd’hui le plus répandu au monde : à chaque heure qui s’écoule, près de 1,5 million de m³ d'eau sont clarifiés dans un Pulsator. Ce procédé a, bien sûr, lui aussi évolué depuis sa création (figure 2), tout d’abord avec l’ajout de modules lamellaires dans la zone de décantation pour donner le Pulsatube.
La fonction de ce réseau lamellaire est double :
- - il limite l'expansion du lit de boues : on a remarqué que si on place un faisceau serré de tubes ou plaques inclinées au-dessus d’un lit de boues, lors de la mise en expansion de celui-ci par augmentation du débit traversier, la partie supérieure du lit s’élève jusqu’à une certaine hauteur dans le réseau lamellaire et se stabilise. La hauteur de la montée dans les tubes ou entre les plaques est fonction de la densité initiale du lit de boues et de la vitesse ascensionnelle par unité de surface du lit ;
- - il confirme la zone de séparation boues — eau claire dans le faisceau lamellaire, ce qui fait que la partie du faisceau émergeant de cette interface agit ainsi comme piège à particules.
Le Pulsatube a donc permis d’accroître le débit traversier tout en maintenant la qualité de l’eau traitée. La charge superficielle est alors passée, pour des eaux telles que celles que l’on trouve au Canada, de 2,5 m·h⁻¹ sur le Pulsator à 4,5 m·h⁻¹ pour les Pulsatubes comportant 60 cm de hauteur lamellaire, et à 6,5 m·h⁻¹ pour ceux dotés de 90 cm de hauteur lamellaire.
Un nombre croissant de Pulsators déjà construits ont donc bénéficié de cette technique. La première mise en place de systèmes de lamelles dans ces appareils s'est effectuée au début des années 70, et leur développement a été réalisé conjointement par la société Degrémont et sa filiale canadienne. Cette technique s'est ensuite étendue dans de nombreux pays, parmi lesquels Singapour, l’Éthiopie et l’Algérie.
À la même époque, nos chercheurs ont mis au point, sur le même concept de mise en expansion du lit de boue, un autre appareil, le Superpulsator, dans lequel les plaques sont installées directement dans le lit de boue. Elles sont plus espacées que dans le Pulsatube et sont munies de déflecteurs, dont le rôle est de favoriser le mélange boues-eau à traiter. On peut ainsi, à surface égale, augmenter considérablement la concentration en boue du lit de boue et augmenter la vitesse ascensionnelle. Sur des eaux analogues à celles évoquées plus haut, on peut alors atteindre des valeurs de 6,5 m·h⁻¹.
L’Ultrapulsator
L’évolution naturelle du Superpulsator, dans le but d’augmenter encore sa charge superficielle, consiste à ajouter dans la zone de clarification un réseau lamellaire incliné directement au-dessus des plaques, donnant ainsi naissance à l'Ultrapulsator (figure 2). On voit donc le parallèle qui existe entre l’évolution du Pulsator et du Superpulsator par l’ajout de modules dans la zone de clarification.
Des essais à l’échelle industrielle ont été réalisés aux usines de filtration de Gramby et de St-Jean-sur-Richelieu (Canada), où il a été possible de faire fonctionner en parallèle un Superpulsator et un Ultrapulsator.
Les premiers tests effectués à Gramby l'ont été en période hivernale, avec pour objectif de vérifier le comportement des deux décanteurs en augmentant progressivement la charge superficielle. En faisant traverser 50 % de plus de débit en continu sur l’Ultrapulsator par rapport au Superpulsator, on a maintenu une qualité d’eau décantée d'une turbidité inférieure de 0,05 à 0,1 NTU. Le dosage de floculant (silice activée) a en outre été réduit de 28 %, sans détériorer la qualité de l'eau décantée. À la suite de ces essais, la ville de Gramby a demandé que le deuxième Superpulsator soit lui aussi transformé en Ultrapulsator.
Une deuxième série d’essais s'est déroulée à St-Jean-sur-Richelieu, où l'usine est dotée de trois Superpulsator. L’un des décanteurs a été modifié en Ultrapulsator, et trois séries d'essais ont été réalisées sur une période de quatre mois.
L’usine étant toujours en service, il a fallu jouer sur les débits afin de maintenir le volume d’eau filtrée requis pour la ville. Les résultats là encore sont très concluants : l’Ultrapulsator permet le maintien du lit de boue en place tout en traitant un débit d’eau brute de plus de 150 % du débit nominal et en donnant une bonne qualité d’eau décantée. Le tableau II résume les résultats obtenus lors de ces essais.
LES DÉCANTEURS À RECIRCULATION DE BOUE
Principe
Ce type d’appareil est caractérisé par un dispositif, en général interne, permettant de ramener une partie des boues épais-
Tableau I
Principales familles de décanteurs
| Modèles | Types | Floculateur | Vitesse apparente sur la zone de décantation (m.h⁻¹) | Concentration des boues extraites (g·l⁻¹) |
|---|---|---|---|---|
| Décanteur statique | À flux horizontal ou vertical | En tête ou intégré | 0,5 – 2 | 1 – 5 |
| Décanteur à lit de boue | Sans lamelles (Pulsator) | Intégré | 3 – 5 | 2 – 10 |
| Avec lamelles (Superpulsator, Pulsator lamell., Ultrapulsator) | Intégré | 6 – 10 | 2 – 10 | |
| Décanteur à recirculation de boues | Sans lamelles (Turbocirculator) | Intégré | 2 – 3 | 5 – 10 |
| Avec lamelles (SEDIPAC) | En tête | 10 – 15 | 10 – 20 | |
| Décanteur à recirculation de MES | Avec lamelles Densadeg | En tête | 20 – 40 | 30 – 150 |
Tableau II
Comparaison Ultrapulsator — Superpulsator
Essais de Saint-Jean-sur-Richelieu (Canada)
Essai n° 1
| Ultrapulsator | Superpulsator 1 | Superpulsator 2 | |
|---|---|---|---|
| Charge sup (m.h⁻¹) | 4,4 | 2,2 | 2,2 |
| Turbidité (NTU) | 0,33 | 0,51 | 0,53 |
| Charge sup (m.h⁻¹) | 6,4 | 3,2 | 3,2 |
| Turbidité (NTU) | 0,44 | 0,48 | 0,43 |
| Charge sup (m.h⁻¹) | 8 | 4 | 4 |
| Turbidité (NTU) | 0,80 | 0,45 | 0,65 |
Essai n° 2
| Ultrapulsator | Superpulsator 1 | Superpulsator 2 | |
|---|---|---|---|
| Charge sup (m.h⁻¹) | 4,8 | 2,4 | 2,4 |
| Turbidité (NTU) | 0,30 | 0,30 | 0,32 |
| Charge sup (m.h⁻¹) | 7,4 | 3,7 | 3,7 |
| Turbidité (NTU) | 0,52 | 0,30 | 0,40 |
| Charge sup (m.h⁻¹) | 8,2 | 4,1 | 4,1 |
| Turbidité (NTU) | 0,80 | 0,22 | 0,22 |
Tableau III
Performances du Densadeg
| Traitement | Vitesse de décantation (m.h⁻¹) | Concentration des boues (g·l⁻¹) |
|---|---|---|
| Clarification | 25 (20 à 30) | 30 – 150 |
| Décarbonatation | 35 (30 à 40) | 300 – 550 |
| Eau résiduaire urbaine – Déphosphatation physico-chimique tertiaire | 25 (20 à 30) | 30 – 60 |
| Eau résiduaire urbaine – Physico-chimique primaire | 25 (20 à 30) | 40 – 80 |
Essai n° 3
| Ultrapulsator | Superpulsator 1 | Superpulsator 2 | |
|---|---|---|---|
| Charge sup (m.h⁻¹) | 5,6 | 2,8 | 2,8 |
| Turbidité (NTU) | 0,28 | 0,27 | 0,25 |
| Charge sup (m.h⁻¹) | 8,6 | 4,3 | 4,3 |
| Turbidité (NTU) | 0,30 | 0,33 | 0,35 |
| Charge sup (m.h⁻¹) | 9,2 | 4,6 | 4,6 |
| Turbidité (NTU) | 0,95 | 0,65 | 0,61 |
| Charge sup (m.h⁻¹) | 9,2 | 4,6 | 4,6 |
| Turbidité (NTU) | 0,84 | 0,65 | 0,61 |
Dosage : Sulf. alum 27 mg·l⁻¹
Polymère : Essais n° 1 et 2 : 0,2 mg·l⁻¹ — Essai n° 3 : 0,3 mg·l⁻¹
sises dans la zone de floculation (à l’aide d’un racleur). De très nombreux systèmes existent : hydroéjecteur, vis, turbine, hélice, air-lift, pompe, etc. Le rôle de la recirculation est d’accroître la masse de contact présente dans le floculateur ; elle augmente ainsi la probabilité de chocs entre particules, permet de diminuer le temps nécessaire à une bonne floculation et assure une densité supérieure du floc. Ces modèles sont très généralement cylindro-coniques, la partie centrale où s’effectue la recirculation jouant le rôle de floculateur (Turbocirculator). Ce type d’appareil permet un bon épaississement de boues (5 à 10 g·l⁻¹) et est particulièrement adapté à la décantation de flocs lourds comme en décarbonatation (4 à 8 m.h⁻¹) ; en clarification, les performances restent plus modestes, avec une vitesse ascensionnelle comprise entre 2 et 4 m.h⁻¹.
La décantation lamellaire a été également appliquée à ces décanteurs. La structure de ces appareils est alors rectangulaire afin de permettre un bon positionnement des lamelles (Sedipac). L’augmentation des performances est spectaculaire : vitesses de 10 à 15 m.h⁻¹ et forte concentration des boues, comprise entre 10 et 20 g·l⁻¹.
Cet appareil est un décanteur idéal pour les traitements de décarbonatation, permettant dans ce cas des vitesses allant de 15 à 20 m.h⁻¹ et donnant des concentrations de boues comprises entre 100 et 200 g·l⁻¹.
Afin de satisfaire les besoins actuels qui exigent des appareils compacts, la décantation accélérée est impérative. Les appareils lamellaires à recirculation de boue et raclage permettent d’obtenir simultanément de grandes vitesses de décantation et un épaississement important des boues (tableau III).
Ces exigences ont conduit à la réalisation d’un appareil basé sur le double principe de la décantation lamellaire associée à une recirculation et à un épaississement intégré des boues : le Densadeg.
Le Densadeg
Dans ce cas, ce ne sont plus les boues floculées qui sont recirculées, mais les boues épaissies ; de plus, ces boues, dont une partie de l’eau d’hydratation a été évacuée au cours de l’épaississement, sont intimement « cassées » lors de leur pompage en vue de la recirculation : ce sont en fait des matières en suspension, dont la nature est telle qu’elle entraîne une véritable densification du floc dont l’aptitude à la décantation est considérablement accrue.
Principe de fonctionnement du Densadeg
Le procédé est basé sur trois principes : • un réacteur de coagulation-floculation intégré, de conception originale ; • la recirculation des boues de la zone d’épaississement vers le réacteur ; • une décantation lamellaire.
À cet effet, le Densadeg comprend trois éléments principaux :
Le réacteur. Constitué de trois chambres successives, il représente l’une des originalités du procédé. Les deux premières assurent la floculation rapide en réacteur agité et la dernière effectue la floculation lente en réacteur piston. L’ensemble, très compact, grâce à sa conception originale et à sa forte recirculation de boues, permet d’obtenir un floc particulièrement dense et homogène. Cette densification du floc permet d’aborder la zone de décantation avec des vitesses bien supérieures à celles des appareils précédents.
Le prédécanteur-épaississeur-stockeur. Ce prédécanteur-épaississeur permet l’obtention de boues très concentrées qui peuvent être envoyées directement vers un poste de déshydratation ; de plus, l’épaississeur intégré peut servir également de stockage de boues entre deux opérations de déshydratation.
La zone lamellaire de décantation. Après le prédécanteur, le décanteur lamellaire assure la décantation du floc résiduel. Cette chambre de clarification est équipée de modules lamellaires ou tubulaires de décantation rapide dans lesquels l’eau circule à contre-courant des boues. Cet organe comporte habituellement, à sa partie inférieure, un dispositif de raclage ramenant les boues résiduelles dans une fosse de concentration. La faible concentration des matières en suspension envoyées vers le décanteur lamellaire et la forte densité du floc permettent d’y appliquer des vitesses de décantation élevées.
Le Densadeg se caractérise donc par divers perfectionnements : • réacteur assurant une floculation optimisée et homogène ; • recirculation externe des boues ; • épaississeur intégré avec stockage éventuel des boues ; • décantation lamellaire.
Cet appareil présente ainsi une grande compacité : — des vitesses de décantation très élevées (20 à 40 m/h⁻¹ sur la zone lamellaire) ; — une concentration importante des boues extraites ; — une très bonne qualité de l’eau décantée.
La figure 3 présente un exemple en version industrielle.
Domaines d’applications et performances
La conception du Densadeg lui confère un vaste ensemble d’applications, en particulier dans les domaines suivants : • eau potable : clarification des eaux de surfaces et décarbonatation des eaux souterraines ou de surfaces ; • eaux résiduaires urbaines : traitement physico-chimique en décantation primaire (éventuellement avec polymère seul) et déphosphatation en traitement tertiaire ; • eaux industrielles : production d’eaux de procédés et traitements spécifiques d’eaux résiduaires (décarbonatation, précipitation de métaux, lavage de fumées...) ; • traitement des boues : problèmes spécifiques d’épaississement des boues à partir d’effluents moyennement concentrés (eaux de lavage de filtres, purges de décanteurs...).
Les performances du procédé ont été déterminées dans les domaines suivants (tableau III) : — clarification d’eaux de rivières ; — décarbonatation d’eaux de rivières et d’eaux de forages ; — décantation physico-chimique primaire d’eaux résiduaires urbaines ; — déphosphatation physico-chimique tertiaire.
Application à l’installation de Morsang III
L’extension de Morsang III a été mise en route en fin 1988. Elle comprend les opérations ci-après (fig. 4) : prétraitement, coagulation (sel d’aluminium), floculation et décantation dans un Densadeg, filtration sur sable (filtres Aquazur V), ozonation, filtration sur charbon actif en grains (filtres Médiazur), désinfection finale au chlore gazeux.
Les caractéristiques du Densadeg sont les suivantes : • débit nominal : 3 540 m³/h⁻¹ • débit de pointe : 4 000 m³/h⁻¹ • surface de décantation : 170 m² • vitesses ascensionnelles : — au débit nominal : 20,8 m/h⁻¹ — au débit de pointe : 23,5 m/h⁻¹.
Afin d’optimiser la réaction de coagulation, l’appareil est précédé d’un
Mélangeur rapide de deux minutes de temps de contact où est injecté le coagulant. Le recyclage des eaux de lavage des deux étages de filtration s’effectue également dans cet ouvrage, lequel constitue non seulement l’épaississeur des boues produites sur la chaîne III, mais également celui des chaînes I et II, grâce à la recirculation, dans le mélangeur rapide, des boues extraites du Pulsator et du Superpulsator.
La chaîne III de Morsang est en production depuis juillet 88. La grande souplesse de Densadeg a conduit rapidement l’exploitant à asservir le débit de la chaîne III à la demande générale de production, les chaînes I et II restant à des débits constants, ce qui se traduit par une très grande variabilité des débits instantanés au cours d’une journée, avec par exemple : — 0 à 3 000 m³·h⁻¹ en période hivernale, — 1 000 à 3 600 m³/h en période estivale.
La production correspondante représente en moyenne 40 % de celle de l’usine de Morsang.
La qualité de l'eau décantée est suivie essentiellement à partir de la turbidité (mesurée en continu) et des matières en suspension. La turbidité de l’eau décantée dépend en partie de la turbidité de l’eau brute, mais la valeur maximale atteinte, 1,4 NTU, reste acceptable (la turbidité moyenne sur une période de 18 mois ressort à 0,50 NTU).
La régulation est effectuée à partir d'un capteur spécifique le « Coagulant Control Center » (CCC) mesurant en continu la charge colloïdale, capteur qui permet, à partir d’un point de consigne, de réguler l’injection de coagulant. Le taux de traitement en polymère est proportionnel au taux de traitement en coagulant. Le coefficient de proportionnalité tient compte de la nature du coagulant et prend en compte certaines situations exceptionnelles (eau chargée, eau froide...).
L’asservissement complet des réactifs sur le Densadeg est très facilement réalisable, ce qui permet un fonctionnement totalement autonome.
Variations de débit et de charge. L'un des atouts majeurs du Densadeg est son insensibilité aux variations de charge et de débit. À titre d’exemple, la figure 5 rassemble les résultats obtenus pendant une semaine type de forte production (juin 1989), où l’on constate que le débit a varié de 1 000 à 3 500 m³/h : la qualité de l'eau décantée en a été très peu affectée. Cette insensibilité aux variations de débit a conduit l’exploitant à choisir la chaîne III pour assumer les variations du débit général de l'usine.
Production de boue. Un autre avantage du Densadeg est d’assurer la production de boues épaissies, directement traitables par une unité de déshydratation. La concentration moyenne est exactement de 20 g/l durant de longs mois en dehors des crues, mais une charge élevée en matières en suspension de la Seine a un effet immédiat sur la concentration des boues extraites de l'eau. Malgré la très faible concentration en matières en suspension de la Seine, les boues extraites sont généralement très proches de 30 g/l, valeur minimale classique obtenue sur d’autres appareils avec des eaux très peu chargées ; des valeurs supérieures pourraient être obtenues dans le cas de Morsang (en augmentant la concentration en polymère), mais cela n’est pas nécessaire.
Résultats. L’exploitation de Morsang montre que le Densadeg est un appareil parfaitement adapté à la clarification des eaux destinées à la consommation humaine, compte tenu des résultats qu’il permet d’obtenir : — excellente qualité de l'eau décantée (0,50 NTU sur 18 mois ; 0,24 NTU sur sept mois avec du chlorure d’aluminium) ; — vitesse de décantation élevée (9,5 m·h⁻¹ en moyenne annuelle ; 23 m/h en débit de pointe) ; — épaississement intégré des boues (30 g·l⁻¹ en moyenne) ; — faible consommation de réactif (0,17 g·m⁻³ en moyenne de polymère) ; — forte inertie aux variations de débit et de qualité de l’eau brute.
Sa grande souplesse d'emploi, associée à une automatisation complète de l’ouvrage, en font le décanteur privilégié pour répondre aux variations du débit d’une usine de production.
Conclusion
L'Ultrapulsator et le Densadeg ont montré, sur des eaux bien différentes, leurs capacités et leurs performances dans le traitement des eaux destinées à la consommation humaine. À titre d’exemple, la figure 6 donne une vue de détail des modules installés dans un des deux décanteurs Ultrapulsator de l’installation de St-Jean-sur-Richelieu (Canada), et la figure 7 donne une vue générale de l’installation des Giraudets, exploitée par la Société des Eaux de Marseille, dont l’extension récente (1991) comporte deux décanteurs Densadeg d'une capacité unitaire de 520 l/s.
La souplesse d'emploi et la fiabilité de ces décanteurs, liées à la compacité de leur réalisation, sont à la base de leur développement rapide dans de nombreuses applications.
BIBLIOGRAPHIE
[1] RICHARD Y., La décantation lamellaire et ses nouveaux développements, TSM — L'Eau, mars 1974, 113-128.
[2] RICHARD Y., Un nouveau décanteur pour la maîtrise de la clarification, L’Eau, L’Industrie, Les Nuisances, mars 1988, 31-32.
[3] RICHARD Y., DAUTHUILLE P., Le Densadeg : un décanteur à hautes performances, Informations Chimie, mars 1989, 213-223.
[4] VILLESSOT D., DAUTHUILLE P., Traitement physico-chimique dans les stations d’épuration de montagne — Bilan de fonctionnement, 69° Congrès AGHTM, Montréal, 1989, 171-201.
[5] DAUTHUILLE P., GELAS G., RENAULT C., Le Densadeg de Morsang III — Bilan de deux années d’exploitation, 70° Congrès AGHTM, Biarritz, 1990, 245-276.
