Etude sur la filtration à décantation lamellaire – 2ème partie (suite et fin)

Il existe 3 types de décanteurs lamellaires 

  • Décanteurs à contre-courant : L’alimentation en eau se fait par le bas ainsi l’eau et les solides décantés circulent en sens inverse de la décantation de la boue..
  • Décanteurs à co-courant : l’eau et les solides décantés circulent dans le même sens.
  • Décanteurs à courant croisés : L’alimentation en eau se fait latéralement : l’eau et les solides décantés circulent selon des directions perpendiculaires aux lamelles.

 

EFFICACITÉ

Le décanteur particulaire est défini par :

  1. le débit maximum qu’il peut recevoir;
  2. la charge hydraulique souhaitée.

Plus la charge hydraulique est faible et plus le décanteur est efficace pour piéger les MES.

Ce principe de fonctionnement est tout simplement l’opposé de ce qui se fait en aquariophilie, où la valeur de l’efficacité d’une filtration est liée au débit de sa pompe. Plus la pompe a de débit, meilleur serait la filtration qui, par ailleurs est souvent contrainte par un petit volume.

Dans le cas de la filtration par décantation lamellaire, c’est un principe de fonctionnement totalement opposé qui est mis en évidence, on retient :

  1. Un grand volume pour la cuve de filtration par décantation lamellaire
  2. Une surface de place /tubes la grande possible pour le recueil des MES
  3. Un débit très faible et régulé de l’eau pour éviter au maximum les tourbillons parasites.

Le rendement de décantation des MES dépendra de la vitesse de chute choisie.

  • Plus la vitesse de chute des particules sera lente, plus le rendement de la décantation sera important.

Connaissant le débit nominal Q (ou débit maximum admis) du dispositif ainsi que sa surface de séparation S, on peut facilement déduire la vitesse de chute Vc et donc le rendement épuratoire espéré.

Ainsi, le taux d’abattement des MES avec un débit d’entrée régulé est directement fonction de la vitesse de chute retenue pour le dimensionnement :

  1. Entrée de l’eau brute
  2. ouverture de la zone de décantation
  3. Compartiment lamellaires
  4. Tuyaux perforées de récupération d’eau décantée
  5. Sortie de l’eau décantée

La décantation à contre courant

Avantages

Infrastructure et construction

  • Infrastructure et construction : simple à réaliser, n’exige pas trop d’aménagement et moindre coût.
  • Répartition de flux : performance de répartition atteint par des aménagements simples de l’ouverture de la zone de décantation.

Inconvénients

  • Évacuation de boues : l’évacuation de boue utilisant l’inclinaison du fond s’avère insuffisante quand l’eau est fortement chargée en matière en suspension.
  • Répartition de flux : les simulations montrent que le flux d’écoulement passe en grande partie dans les modules éloignées. Cette faiblesse est incontournable dans ce genre de configuration, à la limite on peut juste l’atténuer.
  • Performance limitée : moins de coalescence entre floc dans la zone de décantation,

L’adoption de la première variante se présente comme un bon départ dans l’application des lamelles. Cette variante est retenue dans le cas où les exigences en termes de qualité et débit de production ne sont pas trop accentuées et si le débit actuel peut assurer les besoins des consommateurs.

Vue son simplicité d’adaptation à l’ancien système, en affinant les calculs de simulation et en étudiant bien les dimensions d’entrée de l’eau dans la zone de décantation, on peut avoir une satisfaction du point de vue répartition de flux.

La décantation à courant croisé

Dans ce type de décanteur, l’effluent brut pénètre horizontalement sur l’un des flancs du bloc lamellaire. L’eau circule horizontalement entre les lames tandis que les particules plus denses que l’eau chutent. Les eaux claires sortent de l’autre coté de la structure lamellaire.

Avantages

  • Répartition de flux : meilleurs de toutes les possibilités;
  • Rôle tampon du lit de boue : pas de conséquence néfaste immédiate à cause d’un mauvais ajustage du taux de traitement ou une variation du pH de l’eau brute o économie de réactif;
  • Amélioration de la floculation : produit une absence de fines particules, un floc homogène et une réduction du temps de floculation;
  • Haute performance : combinaison des performances du décanteur à lit de boue et du décanteur lamellaire;
  • Boue : Aucune zone de dépôt de boue dans le fond de l’ouvrage, à cause des vitesses d’écoulement élevées engendrée par la sortie dirigé vers le bas o Evacuation plus efficace et plus rapide grâce au concentrateur.

 

Inconvénients

Complexité du système qui nécessite des surplus d’ouvrages et d’infrastructures.

Système de répartition de flux à l’entrée

Système d’évacuation de boue o Chambre à vide

Coût : Investissement considérable dans la phase de conception et dans la phase de réalisation.

Difficultés sur la maîtrise du fonctionnement du système.

Dimensionnement des éléments du système de distribution d’entrée :

  • Le collecteur général  doit être d’une grande section
  • Présences d’orifices sur les tuyaux de répartition d’entrée (calculés de telle sorte qu’un lit de boues homogène se constitue dans la moitié inférieure du décanteur,)
  • Hauteur d’implantation des lamelles : au-dessus du lit de boue.

La décantation à co-courant 

Le principe d’évacuation de boue reste le même que celui de l’ouvrage initial.

  1. Entrée eau brute injectée de réactif coagulant;
  2. Canal de distribution des tuyaux perforés pour l’alimentation de l’ouvrage;
  3. Tuyaux perforés pour l’alimentation de l’ouvrage;
  4. Concentrateur de boue;
  5. Compartiment lamellaire;
  6. Tuyaux perforés de récupération;
  7. Sortie de l’eau décantée.

Avantages

  • Répartition de flux : Le meilleur de toutes les possibilités proposées.
  • Rôle tampon du lit de boue : pas de conséquence néfaste immédiate à cause d’un mauvais ajustage du taux de traitement ou une variation du pH de l’eau brute o économie de réactif
  • Amélioration de la floculation : absence de fines particules, floc homogène et réduction du temps de floculation
  • Haute performance : combinaison des performances du décanteur à lit de boue et du décanteur lamellaire
  • Boue : Aucune zone de dépôt de boue dans le fond de l’ouvrage, à cause des vitesses d’écoulement élevées engendrée par la sortie dirigé vers le bas
  • Evacuation plus efficace et plus rapide grâce au concentrateur.

Inconvénients

  • Complexité du système qui nécessite des surplus d’ouvrages et d’infrastructures.
  • Système de répartition de flux à l’entrée
  • Système d’évacuation de boue o Chambre à vide
  • Coût : Investissement considérable dans la phase de conception et dans la phase de réalisation.
  • Difficultés sur la maîtrise du fonctionnement du système.

Dimensionnement des éléments du système de distribution d’entrée :

  • Le collecteur général  doit être d’une grande section.
  • Présences d’orifices sur les tuyaux de répartition d’entrée (calculés de telle sorte qu’un lit de boues homogène se constitue dans la moitié inférieure du décanteur).
  • Hauteur d’implantation des lamelles : au-dessus du lit de boue.

MAÎTRISE DE LA QUALITÉ DES BOUES

Le seul paramètre de la ” Turbidité ” visuelle s’avère insuffisant pour s’assurer de la maitrise du processus de floculation. D’autres essais et mesures sont indispensables, tels que “essai à l’éprouvette” qui permet, de façon très empiriques mais avec une certaines efficacité de se faire une bonne idée de la turbidité de l’eau issue de l’aquarium.

Pour mémoire, on citera :

  • la mesure du coefficient de cohésion de boue,
  • la mesure de l’indice de Mohlman.

L’indice de Mohlman (IM) est l’indice de décantation des boues : Cet indice définit (en millilitre) le volume de boue activée décanté en 1/2 heure par rapport à la masse de résidu sec de cette boue (en gramme de matières). Il est aussi appelé Indice Volumétrique de Lodo (IVL) ou indice de Boues (IB)

L’essai est exécuté dans une éprouvette de 1 litre que l’on remplit d’une liqueur mixte prélevée dans le bassin de traitement biologique, puis on note le volume de boue après 30 minutes. IM = V/P

Décantabilité

La décantabilité d’une boue est calculée à partir de la méthode de Kynch. On utilise une éprouvette de 10 litres, on mesure ensuite l’évolution de la hauteur du front de décantation en fonction du temps ce qui permet de calculer la vitesse terminale de chute libre, les indices n et k des modèles puissance et exponentiel, ainsi que l’indice de Mohlmann (SVI).

Un IVB faible indique que les solides biologiques ont de bonnes caractéristiques de décantation de sorte que la cause de la mauvaise efficacité du décanteur est d’ordre physique et peut être identifiée facilement.

Lorsque l’IVB est élevé, la mauvaise décantation est alors causée par un désordre de l’écosystème qui se traduit le plus souvent par une croissance excessive d’organismes filamenteux.

Les causes et les solutions d’un tel problème sont alors difficiles à identifier. Les problèmes dus à une mauvaise décantation des boues sont souvent imputables à un déséquilibre d’ordre biologique entraînent, à la limite, une baisse de la qualité de l’effluent des stations d’épuration. Les causes de tels problèmes sont variées et difficiles à déterminer et nécessitent des connaissances approfondies en chimie de l’eau….ce qui n’est pas forcément ni la vocation d’un aquariophile.

 

RÉSUMÉ

En résumé, en implantant des modules lamellaires de forme trapézoïdale dans l’ouvrage rectangulaire, on augmente la performance de 6 fois celle sans lamelle. Ces résultats s’appuient sur des hypothèses d’équi-répartition du débit dans chaque compartiment d’un module lamellaire.

Toute la difficulté est donc de trouver une configuration qui permet d’homogénéiser au maximum le partage du débit dans chaque module lamellaire.

Afin de pouvoir extraire en continu les solides décantés, et pour des raisons pratiques de fonctionnement et d’exploitation, les lamelles sont inclinées d’un angle, compris entre 30° et 60°, le bon compromis de départ sera un angle à 45° par rapport à l’horizontale.

Décantation à contre-courant (gauche) & Décantation à courant croisé (droite)

EFFICACITE

Le décanteur particulaire est défini par le débit maximum qu’il peut recevoir et par la charge hydraulique souhaitée.

  • Plus la charge hydraulique est faible et plus le décanteur est efficace pour piéger les MES.

Le rendement de décantation des MES dépendra de la vitesse de chute choisie.

Nous l’avons vu, plus la vitesse de chute des particules sera lente, plus le rendement de la décantation sera important.

Connaissant le débit nominal Q (ou débit maximum admis) du dispositif ainsi que sa surface de séparation S, on peut facilement déduire la vitesse de chute Vc et donc le rendement épuratoire espéré.

Ainsi, le taux d’abattement des MES avec un débit d’entrée régulé est directement fonction de la vitesse de chute retenue pour le dimensionnement :

Vitesse de chute en cm/s Vitesse de chute en m/h Rendement en %
0,0003 0,01 100
0,001 0,04 98
0,003 0,1 95
0,014 0,5 88
0,027 1 80
0,14 5 60
0,28 10 40
1,39 50 15
2,78 100 10
13,89 500 7
27,78 1000 5

Taux d’abattement des MES selon la vitesse de chute

ENTRETIEN

Comme tout filtre, une telle structure pour rester efficace doit faire l’objet d’un entretien constant. En effet, l’entretien devrait idéalement être réalisé très régulièrement, éventuellement à l’issue un gros changement d’eau de l’aquarium, de préférence des que les MES se sont accumulées en trop grande quantité, afin de ne pas réduire l’efficacité du décanteur et surtout afin d’éviter d’éventuels relargages.

La récupération des boues peut être effectuée par pompage ou par vidange, dans ce cas précis, ces dernières peuvent être évacuées directement dans le réseau d’eaux usées s’il n’est pas trop éloigné. Il appartiendra à l’aquariophile de prévoir une sortie de vidange pour se faciliter la tache et évacuer le plus facilement possible toutes ces particules indésirables dont l’accumulation serait néfaste  à l’équilibre chimique de l’eau de l’aquarium.

 Dans tous les cas, les décanteurs, comme n’importe quel filtre utilisé, doivent être entretenus soigneusement pour rester efficaces ce qui est aussi vrai pour les grosses installations industrielles l’est tout autant, sinon plus encore que pour celles qui nous préoccupent dans notre passion.

Ce type d’ouvrage nécessite, en outre, une vidange complète tous les 6 mois après la mise en service puis éventuellement par la suite si le rendement est stabilisé, au moins une fois par an. Bien que peu nombreuses, cette opération a aussi l’avantage de permettre de vérifier les pièces mécaniques (pompes,…) du filtre ainsi que son étanchéité.