Un nouveau décanteur lamellaire pour le traitement des eaux

LE PROCÉDÉ DE DÉCANTATION LAMELLAIRE

La technique de décantation lamellaire, relativement récente, a progressé de façon continue depuis les années 60, ce qui s’est manifesté non seulement par de nombreuses publications dans la littérature spécialisée, mais aussi par de nombreux brevets d’invention.

Le principe fondamental de ce procédé est basé sur l’application du coefficient de Hazen et donc sur la prise en compte de la charge superficielle des installations de décantation dont l’exploitation, au début du siècle, a permis le développement des techniques de décantation.

Comme l’on sait, la charge superficielle est définie comme étant le quotient du débit par la surface d’un bassin de décantation ; plus cette surface est importante, plus la charge superficielle est restreinte et le décanteur est d’autant plus efficace. Cette constatation a conduit à des dispositifs tendant à augmenter la surface efficace des décanteurs, en faisant passer l’eau entre des plaques, des lamelles ou dans des tubes inclinés.

À l’état actuel de cette technique, les brevets se réduisent à la forme, au sens d’écoulement et à l’utilisation des éléments lamellaires, ainsi qu’à leur combinaison avec des éléments tels que mélangeurs, curettes et installations de raclage.

La modernisation de la décantation lamellaire à laquelle nous nous sommes attachés est due exclusivement au fait que nous disposons aujourd’hui de matériaux qui permettent une réalisation économique des anciennes techniques, ce qui permet désormais de l’appliquer dans les usines de traitement d’eau et les stations d’épuration.

De nombreux exposés mathématiques ont été publiés sur la sédimentation, dans divers dispositifs, des matières solides contenues dans l’eau. Ils ont permis de dégager quelques orientations à suivre pour dimensionner et construire des stations de sédimentation (le plus souvent après comparaison avec les autres systèmes), bien qu’il n’ait pas jusqu’à présent été possible de résoudre analytiquement de façon satisfaisante le problème de la décantation des particules dans un milieu en mouvement, et quoique quelques instituts scientifiques se soient efforcés de le cerner par approche stochastique.

Il reste donc l’expérience comme seule possibilité d’établir des paramètres de dimensionnement des stations de décantation lamellaire. Les connaissances acquises par les recherches sur installations pilotes et l’expérience des deux grandes stations en service permettent maintenant de mettre à la disposition des utilisateurs une technique bien au point, décrite succinctement ci-dessous.

LES SYSTÈMES À DÉCANTATION LAMELLAIRE

On distingue trois principes de base concernant la décantation lamellaire, correspondant à trois applications différentes : les procédés à flux descendant, à flux transversal et à contre-courant. Chacun de ces systèmes présente des avantages et des inconvénients que nous ne mentionnerons pas ici.

Les principaux critères permettant de faire un choix sont les suivants : prix de revient et de montage du dispositif complet de sédimentation, charge superficielle, sécurité de non-irruption, insensibilité aux variations de charge, consommation de produits chimiques, qualité de l’eau épurée, concentration des boues et répartition homogène (donc charge uniforme) dans les éléments lamellaires, simplicité de conception et d’emploi. Tous ces critères ne sont pas remplis d’une façon optimale par chacun des trois systèmes mentionnés, si bien qu’un décanteur lamellaire rentable doit comporter un certain nombre de compromis.

CHOIX DU SYSTÈME

C’est en définitive le principe de la décantation à contre-courant que nous avons retenu comme étant le mieux adapté aux besoins à satisfaire.

Ce procédé comporte deux formes de réalisations différentes. La première est un séparateur à plaques, dans lequel l’eau brute arrive

directement et latéralement dans l'espace intermédiaire situé entre les plaques. Celles-ci sont en gé- néral relativement hautes, afin d’aug- menter la surface de sédimentation. En outre, la chambre à boue, en tant que zone d’épaississement re- cueillant les boues sous les pla- ques, est conçue de façon à ne pas être perturbée par les courants.

L'autre forme est constituée de lamelles ou de tubes en dessous desquels l'afflux a lieu à une distan- ce bien déterminée ; la boue qui glisse des lamelles ruisselle à tra- vers le courant ascendant d’eau brute. Le décanteur lamellaire Sulzer est une adaptation de ce modèle. Notons les avantages de ce système :

— les ensembles de lamelles préfa- briqués présentent un poids mini- me, grâce auquel les coûts de transport et de montage peuvent être maintenus relativement bas ;

— la répartition uniforme de l'eau brute sur la totalité de la surface de sédimentation se fait sans in- troduction d’énergie additionnel- le, ce qui pourrait provoquer une destruction des flocs, mais sim- plement par un système de cani- veaux collecteurs de l'eau clari- fiée ;

— une grande sécurité de non- diffusion de la boue dans l'eau clarifiée est assurée. Dans la plu- part des décanteurs de ce type, les boues glissent en avalanche en provenance des lamelles incli- nées et s’élèvent en tourbillonn- ant, après une descente plus ou moins longue et suivant leur consistance. Notre décanteur in- cliné comporte des lamelles rela- tivement basses, si bien que ce tourbillonnement se produit au- dessous des lamelles. Si les flocs sont assez compacts, ils descen- dent le courant ascendant d’eau brute et se déposent dans le compartiment à boues ; certaines particules plus légères sont por- tées vers le haut dans les lamel- les et s'y déposent à nouveau. Ceci peut se répéter jusqu’à ce qu’elles aient formé des flocs suf- fisamment lourds. Comme il s’agit toujours de particules dé- cantables dans l’espace situé en- tre les lamelles, une irruption dans l’eau claire est exclue ;

— l'avantage le plus important de ce système réside dans le fait qu’en raison des dispositions adoptées et du dosage adéquat des pro- duits floculants, un voile de boue se forme sous les lamelles dans l’intervalle qui lui est réservé. Ce « filtre flottant » apporte, outre une économie importante de pro- duits chimiques, une large insen- sibilité aux variations de charge.

ESSAIS PILOTES

Une installation pilote (figure 1) a été construite afin de rechercher les paramètres du dimensionnement des stations à réaliser et l’optimisa- tion du système ; c’est ainsi qu’en divers sites de la Suisse et de la République Fédérale d’Allemagne, des essais de longue durée ont été effectués jusqu’à l’obtention des résultats escomptés.

La floculation-sédimentation et la décarbonatation ont été étudiées sur différentes périodes de l'année et par tous les temps, avec des eaux fluviales à charge variable.

En se basant sur les résultats obtenus, deux grosses stations ont été réalisées en 1978 à La Plaine- Genève et à Ispahan.

Nous les décrivons sommaire- ment ci-après.

Alimentation en eau industrielle de Firmenich SA, La Plaine- Genève

Le but était le traitement par sé- dimentation et filtration de l’eau du Rhône pour produire de l’eau de re- froidissement et de l’eau industriel- le pour le complexe chimique de Firmenich SA. En raison de la régle- mentation sur la protection de l’en- vironnement, les eaux boueuses provenant de la station de traite- ment ne pouvaient être rejetées di- rectement dans l’émissaire, mais devaient être dirigées vers la sta- tion d’épuration existante. Le coût élevé de ce rejet a imposé la réduc- tion de leur volume au minimum. Par ailleurs, le terrain à bâtir dispo- nible, très limité et très cher, obli- gea à étudier une station très com- pacte.

Le schéma de la figure 2 montre les dispositions adoptées. L’ouvra- ge avait déjà été calculé pour un débit de 800 m3/h, mais les équi- pements ont été limités aux be- soins actuels, soit 400 m3/h.

L’eau brute, mélangée avec les produits chimiques inertes, pénètre dans la zone de sédimentation entre deux ensembles superposés de lamelles inclinées. La charge superficielle est alors de 11 m3/m²/h. Tandis que s’effectue à la partie supérieure la séparation eau claire/flocs, la partie inférieure reçoit une concentration des boues d’une teneur en matières solides de 4 %. Cette eau chargée de boues rejoint seule la station d’épuration, le reste étant recyclé en tête de l’installation.

Les filtres sont installés sous la sédimentation ; ce sont des filtres bicouches en béton ; l'eau claire les traverse à une vitesse de 11,5 m/l et rejoint le réservoir d’eau traitée. L’eau boueuse provenant du lavage

des filtres est mélangée à l’eau brute, puis est épurée dans la phase de sédimentation.

La figure 3 montre la station de sédimentation, avec au premier plan les chambres de réaction et au second plan les décanteurs lamellaires qui leur sont raccordés.

Alimentation en eau de refroidissement de la raffinerie NIOC, Ispahan, Iran

La station sert à la préparation d'eaux de refroidissement et de procédés, à partir de l'eau de rivière Zayandeh Roud, eau qui peut présenter une charge supérieure à 2 000 ppm de matières en suspension. La qualité requise de l’eau traitée (moins de 5 ppm de matières en suspension) montre qu’une filtration à l’aval de la station de décantation n'est pas nécessaire. Le schéma de la figure 4 donne le principe de l'installation.

À la suite de la demande de la raffinerie d'exécuter la station entièrement en éléments métalliques, il est apparu que la meilleure solution consistait à réaliser une station de grande capacité, avec décanteurs lamellaires.

La figure 5 montre la station achevée pour la première étape qui correspond à un débit de 1 800 m³/h. Elle se compose de cinq unités, comprenant chacune un bac de réaction et de sédimentation. Les décanteurs lamellaires présentent un diamètre de 6,8 m et une hauteur de 7 m. Ils sont mis en service avec une charge superficielle de 10 m³/m²/h.

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Les deux stations ci-dessus en service depuis plus de deux ans fonctionnent de façon tout à fait satisfaisante, avec un rendement conforme aux prévisions. Leur exploitation a montré que malgré sa haute capacité, ce système mis au point par nos soins atteint un niveau de rentabilité (prix de revient, coûts d’entretien et exploita-

supérieur à celui des installations conventionnelles et qu'il fait aisément face aux à-coups dus aux variations de charge.

La station pilote, utilisée maintenant depuis plus de cinq ans, reste en service afin de permettre l’étude de nouvelles possibilités d’application (comme le traitement des eaux de lavage des filtres). Son application est maintenant prévue pour résoudre l'ensemble des problèmes de sédimentation, dans le cadre du dimensionnement minimum des installations.

C’est notamment l'expérience acquise par notre société dans la compacité des décanteurs, lors de la réalisation de nombreuses stations conventionnelles, ainsi que dans la construction des filtres en béton qui lui a permis de réduire dans de grandes proportions le volume des ouvrages de la station de Firmenich SA.

À la suite de ces études, mis au point d'un nouveau système compact (figure 6) qui représente la combinaison rationnelle d'une station de sédimentation et des filtres qui lui sont associés. Les unités, assemblées sous forme de modules juxtaposables, sont ainsi standardisées et peuvent traiter des débits de 360 à 600 m³/h.