La décantation lamellaire est l’un des procédés que l’on peut mettre en œuvre pour séparer la pollution véhiculée dans les eaux de ruissellement.

Les filtres à décantation lamellaires présentent l’avantage d’être à la fois des ouvrages compacts comparativement aux bassins de retenues, mais également, d’offrir des performances élevées du fait de leur surface de décantation très étendue.

Profitant des avantages qu’ils offrent au niveau de l’industrie, leur usage peut largement être transposé à l’Aquariophilie moyennant d’en connaitre un peu mieux le fonctionnement.

En effet, l’optimisation du fonctionnement hydraulique de ces filtres à décantation lamellaires permet d’obtenir un écoulement homogène sur toute la surface de décantation, et des conditions d’écoulement proche d’un régime laminaire…. au final des résultats bien plus probants que les traditionnels filtres du commerce aquariophile.

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Mais pour quoi utiliser ce type de filtre ?

Les décanteurs lamellaires sont en règle générale des ouvrages destinés au traitement des eaux de ruissellement polluées.

Le « traitement » appliqué à ces eaux consiste à séparer les matières solides véhiculées en suspension dans l’eau.

Ce traitement a lieu dans une structure lamellaire composée de lames juxtaposées et inclinées par rapport au plan horizontal.

L’objectif majeur recherché est le piégeage des éléments pollués sur la surface des lames puis au fond de l’ouvrage.

 

Le procédé mis en œuvre par les filtres à décantation lamellaires est la séparation liquide / solide.

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PRINCIPES DE BASE

Ces appareils utilisent le procédé physique de séparation des Matières En Suspension (MES) dans un liquide, telles que les boues, sables voire des hydrocarbures.

Les particules, dont la densité est supérieure à l’eau, s’accumulent au fond du décanteur sous l’effet de la pesanteur.

L’eau clarifiée se situant à la surface est ensuite dirigée vers un filtre.

Cette décantation est relativement longue pour les particules très fines qui sont très sensibles aux courants du bac de décantation.

Pour que la décantation puisse se faire correctement, il faut que la vitesse de l’eau soit inférieure à la vitesse de sédimentation des particules (Vs).

La vitesse de l’eau est appelée charge hydraulique superficielle ou vitesse de HAZEN (VH) et permet de dimensionner les décanteurs :

Lorsque la vitesse de sédimentation des particules (Vs) est inférieure à la vitesse de HAZEN (VH), les particules ne sont pas sédimentées et partent avec l’eau vers le filtre.

C’est ce que l’on constate dans tous les filtres du commerce aquariophile où le débit, plus il est important détermine l’efficacité du filtre, ce qui est une aberration dans le cas d’un filtre à décantation lamellaire !

Lorsque la vitesse de sédimentation des particules (Vs) est supérieure à la vitesse de HAZEN (VH), les particules sont piégées par le décanteur et s’accumulent au fond du bac.

L’approche aquariophile de l’utilisation du filtre à décantation lamellaire va bousculer tout ce qui était pratiqué actuellement en termes de filtration !

Par ailleurs, il est important de préciser pour qu’une décantation particulaire soit efficace, l’écoulement de l’eau à l’intérieur du décanteur doit être laminaire. L’écoulement turbulent, utilisé dans les séparateurs à hydrocarbures, est à proscrire.

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La vitesse de sédimentation : Qu’est ce que la vitesse de sédimentation

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Principe de la sédimentation

Lors de la sédimentation de particules solides de masse m, de diamètre d et de masse volumique “rS” dans un milieu fluide de masse volumique “rL” et de viscosité “m”, à priori au repos, les particules sont soumises à l’action de trois forces :

 Le poids, “mg” dirigé vers le bas,

• la poussée d’archimède, fonction de la différence de masse volumique entre la particule et le milieu fluide et dirigée vers le haut,
• les forces de frottement exercées sur la particule par le fluide, du fait de sa viscosité (ces frottements croissent avec le carré de la vitesse relative particule-fluide).

Lorsque les forces de frottement visqueux équilibrent la résultante du poids et de la poussée d’ARCHIMEDE, la particule se déplace alors à une vitesse constante appelée vitesse de sédimentation, que l’on peut déterminer dans les deux cas suivants :

• En régime laminaire, loi de Stokes : v=(d2.(rS-rL).g)/(18.m) ;
• En régime turbulent, loi de Newton : v=(3.g.d.(rS-rL)./rL)1/2.

En conséquence, la vitesse de sédimentation augmente avec la différence de masse volumique particule-fluide rS-rL, l’accélération de la pesanteur g (ou centrifuge rω2), le diamètre de la particule (son carré en régime laminaire).

La vitesse de sédimentation diminue lorsque la viscosité du milieu augmente, ou le diamètre des particules diminue. Les particules de plus gros diamètre sédimentent plus rapidement que les particules de petit diamètre, ce qui donne lieu à une méthode de classement, mais conduit également à un seuil de coupure d’un décanteur.

Les facteurs clefs de la sédimentation sont :

• la différence de masse volumique entre le solide et le liquide ;
• la taille des particules ;
• la viscosité du fluide.

Pour des particules de quelques microns, la vitesse de sédimentation devient trop faible.

Pour y remédier, dans l’industrie, on utilise alors des adjuvants de floculation pour agglomérer les particules entre elles et augmenter ainsi leur vitesse limite de chute.

En aquariophilie le recours à ce procédé est totalement proscrit à cause des organismes vivants rassemblés dans un aquarium et du microcosme qu’ils composent.

La sédimentation est donc un processus physique de traitement de l’eau utilisant la gravité pour éliminer les solides en suspension de l’eau, comme le montre parfaitement l’illustration et l’expérience suivante :

Les particules solides entraînées en mouvement par la turbulence de l’eau peuvent être éliminées naturellement grâce à la sédimentation dans une étendue d’eau calme, comme des étangs ou des lacs ou des aquariums dont l’eau n’est pas fortement brassée.

Avant le passage de l’eau à filtrer dans un filtre lamellaire, il serait bon d’envisager dans le cadre d’une utilisation en aquariophilie, l’emploi d’un bac de décantation destiné à favoriser la décantation naturelle des MES venant de l’aquarium avant le passage de l’eau entre les lames.

Les bassins de décantation, quelle que soit leur taille, sont des ouvrages construits dans le but de collecter les solides entraînés par la sédimentation.

C’est, en autres, sur ce postulat que s’appuie l’utilisation d’un filtre à décantation lamellaire.

A savoir que pour bien dimensionner un tel système de filtration, il faudra parfaitement mesurer alors la vitesse de sédimentation pour dimensionner ce type d’équipement, c’est sur ce fondement que repose l’adaptation de ce processus à l’aquariophilie.

 

Ce qu’il faut retenir…

La vitesse de sédimentation d’une particule est sa vitesse descendante théorique dans l’eau claire et stagnante. Une particule ne sédimentera que si :

• Dans un flux longitudinal, le rapport de la longueur du réservoir à la hauteur du réservoir est supérieur au rapport de la vitesse de l’eau à la vitesse de sédimentation.
• Dans un flux ascendant vertical, la vitesse de l’eau ascendante est inférieure à la vitesse limite de sédimentation.

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La partie théorique

Le principe de décantation de l’eau respecte ce que l’on appelle la loi de STOCKES.

Quelles sont les applications possibles ?

Pour la fabrication de l’eau potable

La sédimentation dans le traitement de l’eau potable suit généralement une étape chimique de coagulation et de floculation, ce qui permet d’agglomérer les particules en floculation de plus grande taille.

Cette étape permet d’augmenter la vitesse de décantation des solides en suspension et permet aussi de piéger et décanter les colloïdes.

Malheureusement, le processus chimique complémentaire destiné à faciliter l’agglomération des MES n’est pas réalisable en aquarium à cause du confinement propre à l’aquarium mais surtout à cause du microcosme que représente l’aquarium.

L’adjonction de produits chimiques pourrait causer la mort de tout ou partie des organismes vivants de l’aquarium !

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Pour le traitement eaux usées

Le traitement primaire des eaux usées permet l’élimination des flottants et matières en suspension par la sédimentation.

Les bassins primaires réduisent la teneur de matières en suspension ainsi que les polluants incorporés dans ceux ci.

Dans les petites stations d’épuration, par soucis et coûts et de simplicité d’exploitation, seule la vitesse de sédimentation sera mise en œuvre pour collecter ces polluants.

En revanche, plus les grandes usines, la construction de bassins énormes ne présente aucune viabilité technico-économique, car l’emprise au sol devrait être si importante.

C’est pourquoi les constructeurs mettent en œuvre des décanteurs lamellaires, couplés à l’action de coagulants et de floculants, afin de gagner en compacité….Mais ce n’est pas transposable à l’aquariophilie !

En revanche, dans le cadre d’une utilisation aquariophile, l’action de ces éléments chimiques pourrait être compensée par l’emploi de filtres biologique complémentaires au système lamellaire.

Les cuves de décantation appelées «clarificateurs secondaires» éliminent les flocs bactériens créés dans certaines méthodes de traitement, comme les boues activées, les filtres bactériens et les disques biologiques.

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Le principe de fonctionnement

L’élimination des matières en suspension par sédimentation dépend de la taille et de la densité des particules.

Les particules suspendues traversant un bassin de décantation peuvent rester en suspension si leur densité est similaire à celle de l’eau alors que des particules très denses traversant le même ouvrage peuvent décanter.

En station d’épuration, l’aptitude d’une boue à la décantation est mesurée grâce à l’indice de boues.

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=> Mesure de l’indice de boues (IB)

Les matières décantables sont mesurées grâce le volume visible accumulé au fond d’un cône d’IMHOFF (ou une éprouvette d’un litre) après repos de l’eau pendant 30 minutes.

L’expérience qui suit montre toute l’importance qu’il y à bien gérer les fluides et les flux hydrauliques pour obtenir le meilleur rendement possible de ce type d’installation.

Cette mesure permet d’apprécier l’aptitude d’une boue à la décantation :

1. Remplissez un litre d’effluent dans une longue éprouvette graduée
2. Laissez reposer 30 minutes
3. Lisez le volume de boues décantées (par exemple 440 ml)
4. Re-mélangez de tout et faites une mesure de concentration en matières sèches de l’effluent (par exemple 4 grammes MES / litre)

Dans notre exemple, indice de boues = 440 ml / 1 litre / 4 grammes / litre = 110 ml/g

Pour des stations d’épuration municipales de type boues activés, les valeurs typiques se situent entre 80 et 120 ml/g.

Les valeurs sont largement supérieures pour les boues de mauvaise décantabilité, ce qui peut signifier par exemple que des bactéries filamenteuses  se sont développées.

Lorsque l’IB est élevé, les concentrations de DCO, DBO, MES, et phosphore en sortie d’ouvrage de décantation sont plus élevées. Cela impactera le fonctionnement global du système.

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Dimensionnement

Autre grande question posée par les aquariophiles désireux de réaliser eux mêmes leur propre système de filtration …

La taille de l’installation ?

Si la vitesse de décantation permet de définir le temps de séjour nécessaire aux particules pour décanter dans le bassin, et ainsi de calculer le volume de celui-ci, la prise en compte de ce facteur dans la conception et l’exploitation d’un bassin/bac de décantation revêt une grande importance pour garantir la meilleure sédimentation des particules :

1. Premièrement, la réduction de la vitesse du flux qu’il faut obtenir autant que possible doit permettre d’augmenter la vitesse de sédimentation. Par exemple, il peut être envisagé d’élargir le canal d’approche, et ensuite d’utiliser une cloison siphoïde pour casser le flux.
2. Deuxièmement, en conservant l’effluent pendant la plus longue période de temps possible, afin d’accroitre le temps de séjour.

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Le calcul de la surface du bassin : Le cas industriel…

Les bassins/bacs de décantation doivent être conçus en fonction de la vitesse de sédimentation de la plus petite particule pour atteindre 100% d’élimination.

En réalité, obtenir 100% d’élimination n’est pas atteignable dans les eaux usées, puisque la taille des particules n’est pas homogène, et parce que la taille du bassin serait tellement grande que ce ne serait pas un projet viable économiquement.

Par conséquent, un taux d’élimination de 80 à 90% est fréquemment appliqué.

Pour une eau usée peu chargée, la vitesse de sédimentation généralement utilisée est de 0,4 m/h.

Il est ainsi possible de calculer la surface du bassin nécessaire. Par exemple, pour un débit de 14 m3/h, on devra avoir une surface de 35 m².

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Les différents types de bassins

Les bassins de décantation peuvent être conçus de différentes manières.

Des bassins grands et larges sont généralement utilisés pour de grosses charges hydrauliques.

Ces mêmes types de bassin dotés de lamelles, permettent d’augmenter la surface de décantation, et ainsi de diminuer l’emprise au sol de l’ouvrage : On parle alors de décanteurs lamellaires.

Les clarificateurs sont généralement des ouvrages circulaires, alimentés par le centre. Ils permettent un épaississement des boues (typiquement après la partie biologique d’un traitement, pour séparer les boues de l’eau traitée).

Enfin, les décanteurs digesteurs sont aussi alimentés en partie centrale, et sont conçus comme des réservoirs ascendants. Ils sont dotés d’un cône Imhof pour séparer les boues et les stocker.

C’est très souvent le cas pour les petites stations d’épuration. En Allemagne, une variante efficace à cet ouvrage est le bassin à plusieurs chambres (“three chamber pit” en Anglais, “dreikammergrube” en Allemand).

L’efficacité de la sédimentation ne dépend pas de la profondeur du réservoir.

Si la vitesse en amont est assez faible pour que les particules décantées ne remontent pas à partir du fond du bassin, alors la surface de décantation est le paramètre principal de conception de ce bassin de sédimentation.

La profondeur ne doit toutefois pas être trop faible.

En aquariophilie, les contraintes d’espace et de volume d’une telle installation sont importantes car l’aquarium est souvent installé dans un lieu de vie où la beauté du spectacle de vie qu’il procure, s’offre à la vue de tous.

En outre, un tel bassin sédimentation pourrait  provoquer des nuisances olfactives préjudiciables.

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Le temps de séjour dans le bassin

Dans un ouvrage de décantation industriel, nous retrouvons quatre zones :

1. Alimentation : là ou l’effluent arrive ;
2. Décantation : zone où les particules de séparent du liquide ;
3. Accumulation : là où se forment les boues ;
4. Sortie : zone où l’eau traitée s’accumule et s’évacue.

Pour s’assurer que ces quatre zones puissent s’installer dans l’ouvrage, il est nécessaire d’avoir un volume suffisant et une structure adaptée.

Ainsi, le temps de séjour idéal est compris entre 30 minutes et 2 heures ce qui complexifie notoirement l’utilisation de cette technologie en aquariophilie : Laisser séjourner l’eau chargée de MES pendant 30 minutes et 2 heures impose un gros volume pour le filtre à décantation et, en même temps, une pompe à faible débit.

Pourtant, plus ce temps de séjour sera important, meilleure sera la séparation des particules : c’est un point clé de l’emploi de ce système !

Pour les petites stations d’épuration, il est recommandé d’avoir un temps de séjour de deux heures au moins pour obtenir une bonne décantation primaire.

Une heure sera suffisante en décantation tertiaire.

Il existe deux types de décantations :

• la décantation statique (décanteurs horizontaux)

et

• la décantation lamellaire (décanteurs lamellaires)

Le décanteur horizontal est constitué d’une cuve parallélépipédique : l’eau chargée de MES pénètre à une extrémité et l’eau décantée ressort à l’autre suivant un écoulement horizontal.

Elle nécessite une surface de bassin de décantation importante avec une vitesse de sédimentation généralement la plus faible possible : Le recours à cette technique est difficilement compatible en aquariophilie !

Le principe de la décantation à flux horizontal est représenté de manière simplifiée par le modèle de HAZEN.

Selon ce modèle, une particule de vitesse de chute Vc décantant sur une hauteur H est retenue dans un bassin de longueur L et de surface horizontale S traversé par un débit Q si : Vc > Vh, avec Vh (vitesse de Hazen) = Q/S.

Théoriquement, l’efficacité d’un décanteur horizontal ne dépend que de sa vitesse de Hazen et non de sa hauteur ou de son temps de rétention (soit de 0,5 à 1,5 m/h).

Cependant, les particules contenues dans l’eau floculée entrant dans le décanteur présentent toute une gamme de dimensions.

Pendant leur parcours dans l’ouvrage les plus petites peuvent s’agglutiner entres elles, c’est le phénomène de coalescence.

[La coalescence est un phénomène par lequel deux substances identiques, mais dispersées, ont tendance à se réunir.

Le phénomène principal qui entre en jeu est que le matériau optimise sa surface sous l’action de la tension superficielle, de manière à atteindre un minimum d’énergie.

La coalescence se produit généralement dans des fluides mais peut également unir des particules solides.

Elle se rencontre dans plusieurs processus de domaines aussi variés que la formation des gouttes de pluie en météorologie, des plasmas en astrophysique et du métal en métallurgie.

C’est ce phénomène de coalescence qui, par exemple, préside à la formation des gouttes de pluie ou pousse deux gouttes de mercure en contact à se rassembler subitement en une seule. ]

La taille des particules, et donc la vitesse de sédimentation augmente avec le temps.

La trajectoire devient de ce fait curviligne et l’efficacité de la décantation dépend donc aussi du temps de rétention.

Ainsi, les hypothèses qui sont à la base de la théorie de HAZEN sont loin de refléter la réalité.

Elles négligent en particulier la turbulence et la dispersion des particules qui ne sont pas prises en considération.

Il s’agit pourtant d’un phénomène important dans la plupart des ouvrages de rétention.

Pour optimiser le rendement du décanteur on le fait souvent précéder d’un compartiment de tranquillisation dans lequel une sensible diminution de la vitesse de transfert permet la décantation des particules les plus grosses et la coalescence du floc le plus fin.

Dans cette figure, il s’agit d’un ouvrage de décantation dans lequel des lamelles parallèles inclinées permettent de multiplier la surface de décantation utile tout en réduisant la surface au sol par rapport à un bassin de décantation classique à flux horizontal.

Les décanteurs utilisant des plaques ou des tubes réalisent également une décantation considérable plus rapide que la décantation classique.

La décantation lamellaire est fondée sur le principe de la décantation à flux horizontal. Ainsi, on constate que la décantation d’une particule est liée uniquement au débit Q et à la surface horizontale S, et qu’elle est théoriquement indépendante de la hauteur H de décantation.

Ainsi, la décantation lamellaire est l’un des procédés que l’on peut mettre en œuvre pour séparer la pollution véhiculée dans les eaux de ruissellement.

Les décanteurs lamellaires présentent l’avantage d’être à la fois des ouvrages compacts comparativement aux bassins de retenues, mais également, d’offrir des performances élevées du fait de leur surface de décantation très étendue.

L’optimisation de leur fonctionnement hydraulique devrait permettre d’obtenir un écoulement homogène sur toute la surface de décantation, et des conditions d’écoulement proche d’un régime laminaire.

Si leur usage est principalement industriel, il y toujours moyen de les convertir à un usage aquariophile ; c’est le but de cette série d’articles dédiée à la filtration lamellaire.

Les décanteurs lamellaires sont ici des ouvrages destinés au traitement des eaux de ruissellement polluées.

Le « traitement » consiste à séparer les matières solides véhiculées en suspension dans l’eau.

Il a lieu dans une structure lamellaire composée de lames juxtaposées et inclinées par rapport au plan horizontal.

L’objectif recherché est le piégeage des éléments pollués sur la surface des lames puis au fond de l’ouvrage.

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RAPPELS & GENERALITES

Décanteur horizontal

Le décanteur horizontal est constitué d’une cuve parallélépipédique : l’eau chargée de “MES” pénètre à une extrémité et l’eau décantée ressort à l’autre suivant un écoulement horizontal.

C’est l’expression la “plus simple” du décanteur et c’est la première étape du circuit de filtration  des eaux souillées de l’aquarium !

Elle nécessite une surface de bassin de décantation importante (autant que possible) avec une vitesse de sédimentation à obtenir la plus faible possible.

Le principe de la décantation à flux horizontal est représenté de manière simplifiée par le modèle de HAZEN.

Selon ce modèle, une particule de vitesse de chute Vc décantant sur une hauteur H est retenue dans un bassin de longueur L et de surface horizontale S traversé par un débit Q si : Vc > Vh, avec Vh (vitesse de HAZEN) = Q/S.

Théoriquement, l’efficacité d’un décanteur horizontal ne dépend que de sa vitesse de HAZEN et non de sa hauteur ou de son temps de rétention (soit de 0,5 à 1,5 m/h).

Cependant, les particules contenues dans l’eau floculée entrant dans le décanteur présentent toute une gamme de dimensions.

Pendant leur parcours dans l’ouvrage les plus petites particules peuvent s’agglutiner entres elles, sous l’effet du phénomène de coalescence qui a déjà été évoqué.

Leur taille, et donc la vitesse de sédimentation augmente avec le temps.

La trajectoire devient de ce fait curviligne et l’efficacité de la décantation dépend donc aussi du temps de rétention.

Ainsi, les hypothèses qui sont à la base de la théorie de HAZEN sont loin de refléter la réalité. Elles négligent en particulier la turbulence et la dispersion des particules n’est pas prise en compte.

Il s’agit pourtant d’un phénomène important dans la plupart des ouvrages de rétention. C’est une donnée à bien prendre en compte pour la réalisation du filtre à décantation lamellaire ne aquariophilie.

Pour optimiser le rendement du décanteur on le fait souvent précéder d’un compartiment de tranquillisation dans lequel une sensible diminution de la vitesse de transfert permet la décantation des particules les plus grosses et la coalescence du floc le plus fin. 

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Le décanteur lamellaire, c’est quoi finalement ?

Il s’agit d’un ouvrage de décantation dans lequel des lamelles parallèles inclinées permettent de multiplier la surface de décantation utile tout en réduisant la surface au sol par rapport à un bassin de décantation classique à flux horizontal.

Les décanteurs utilisant des plaques ou des tubes réalisent également une décantation considérable, plus rapide que la décantation classique.

La décantation lamellaire est fondée sur le principe de la décantation à flux horizontal. Ainsi, on constate que la décantation d’une particule est liée uniquement au débit Q et à la surface horizontale S, et qu’elle est théoriquement indépendante de la hauteur H de décantation.

Ce constat implique que les facteurs à Retenir lors de la réalisation d’un filtre à décantation longueur sont :

• La longueur de la cuve arbitrant le filtre ;
• la largeur de la cuve abritant le filtre ;
• Au premier abord, si l’on considère seule la décantation des particules et donc leur chute au fond de la cuve, la hauteur de cette cuve n’est pas un facteur déterminant à condition qu’elle soit suffisante. Pourtant, il faut y voir un autre avantage, une grande hauteur d’eau augmente notoirement le volume de la cuve, et par conséquent, dans ce cas la hauteur sera un facteur aura un rôle impactant sur le débit d’eau transitant dans le filtre.

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Inclinaison des lamelles ou des tubes

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 a, compris entre 30° et 60° par rapport à l’horizontale selon le type de décanteur.

Une telle disposition permet, pour un rendement identique, de construire des ouvrages plus compacts qu’un bassin classique : c’est ce qui retient notre attention pour une utilisation liée à l’aquariophilie !

En revanche, il reste à établir l’angle d’inclinaison optimal pour le meilleur rendement du filtre.

A ce stade, dans le cadre d’un emploi aquariophile, il est encore difficile et prématuré, compte tenu du peu de retours d’expériences, de fixer un angle moyen d’inclinaison de ces lamelles.

Lors de la réalisation d’un filtre à décantation lamellaire, en l’état des connaissances actuelles, il faudra bien retenir l’idée de mettre en place un système de réglage de l’inclinaison des lamelles dont l’angle sera ajusté progressivement pour prendre en compte les spécificités propres de l’aquarium (taille/volume, brassage de l’eau, population….).

Pour des raisons liées à la fabrication et à la mise en œuvre des lames, les décanteurs lamellaires sont généralement de forme parallélépipédique, et de deux à cinq fois plus longs que larges.

Malheureusement, une forme parallélépipédique ne permet pas une répartition aisée de l’eau dans la totalité de la structure lamellaire.

En la matière, un balayage de l’existant dans le domaine industriel s’impose pour pouvoir les poser les base de réalisation d’un tel équipement à usage aquariophile.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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 avec 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.

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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.

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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.

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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 avec 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.

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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.

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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.

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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).

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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.

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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.

 

Optimisation de la forme des décanteurs lamellaires par la modélisation hydrodynamique 3D

 Article inspiré d’une étude réalisée par l’Ecole nationale du génie de l’eau et de l’environnement de Strasbourg, Institut de mécanique des fluides et des solides de Strasbourg, Equipe « Hydraulique urbaine ».

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RÉSUMÉ

L’objectif de cet article est l’optimisation du fonctionnement hydraulique tridimensionnel d’un décanteur lamellaire à flux croisés.

Le critère d’optimisation choisi consiste à avoir une répartition du débit la plus homogène possible entre les lames.

La modélisation 3D complète de l’ouvrage permet de montrer la répartition des vitesses, la localisation des zones de recirculations, de turbulences et les chemins préférentiels d’écoulement à l’amont, à l’aval, et entre les lames du décanteur.

Plus précisément, ce sont les géométries d’alimentation et de sortie qui sont testées afin de satisfaire au mieux le critère d’optimisation.

L’optimisation des formes de l’ouvrage a montré que la tranquillisation et la répartition des flux est beaucoup plus importante sur la partie amont que sur la zone aval.

Sans dispositif d’entrée particulier, un pourcentage très élevé (80%) du débit passe dans 20% des lames.

La répartition est médiocre et le décanteur ne peut donner les performances qui sont attendues compte tenu de la faible surface de décantation active mise en jeu.

La création de chicanes, de siphons ou de parois plongeantes permet de diminuer la vitesse à l’amont des lames.

En modifiant peu à peu la géométrie, nous avons obtenu un modèle de décanteur lamellaire permettant d’homogénéiser au maximum la vitesse à travers les lames. Deux géométries sont recommandées

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INTRODUCTION

Les décanteurs lamellaires décrits dans cet article, sont des ouvrages destinés au traitement des eaux de ruissellement polluées.

Le procédé de traitement est la séparation gravimétrique entre deux lames juxtaposées et inclinées par rapport à un plan horizontal.

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.

Depuis les années 1990, de nombreux auteurs (Chebbo 1992, Chocat 1997, Ashley et al. 2004) ont montré que les matières polluantes entrainées par les eaux de ruissellement étaient majoritairement fixées sur de fines particules véhiculées en suspension.

Selon ces auteurs, environ 80 % de la masse de ces particules ont un diamètre inférieur à 100 microns ; le diamètre médian des particules avoisine les 30 microns.

Les vitesses de chute habituellement retenues pour le calcul du nombre de lames qui équipent les décanteurs sont donc très faibles.

En pratique, cela signifie qu’il faut mettre en œuvre des surfaces de décantation très importantes pour pouvoir séparer ces très fines particules.

Le calcul du nombre de lames conduit donc à des ouvrages de grandes dimensions.

Malheureusement cela ne facilite pas la répartition de l’eau dans la totalité de la structure lamellaire.

Or, l’une des hypothèses utilisée pour le calcul du nombre de lames est la répartition homogène de l’eau entre toutes les lames : C’est l’une des clés du bon fonctionnement d’un décanteur lamellaire.

Ce problème est d’ailleurs signalé par Chocat (1997) dans son “Encyclopédie de l’hydrologie urbaine et de l’assainissement“.

Celui-ci explique en effet que : pour les “décanteurs à courants croisés, si leur principe permet théoriquement de construire des ouvrages très compacts et de faible hauteur, les problèmes  d’équi-répartition hydraulique du débit sur les lamelles sont particulièrement difficiles à résoudre et aucune solution réellement satisfaisante à l’échelle industrielle n’a pu être dégagée.”

L’objectif principal de cette étude est l’optimisation du fonctionnement hydraulique tridimensionnel d’un décanteur lamellaire à flux croisés.

Le critère d’optimisation consiste à avoir une répartition du débit le plus homogène possible entre les lames.

La modélisation 3D complète de l’ouvrage va permettre de montrer comment se répartissent les vitesses, de localiser les zones de recirculations, de turbulences, et les chemins préférentiels d’écoulement à l’amont, à l’aval, et entre les lames du décanteur.

Plus précisément, ce sont les géométries d’alimentation et de sortie qui seront testées afin de satisfaire au mieux le critère d’optimisation précédemment défini.

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PRINCIPE DE MODELISATION ET METHODE DE COMPARAISON

Le code de calcul utilisé pour la modélisation 3D est le logiciel Fluent®. Il utilise la méthode des volumes finis pour résoudre les équations de Reynolds.

Le modèle de turbulence utilisé pour nos simulations est le modèle RSM – Reynolds Stress Model (voir par exemple Versteeg & Malalasekera 1995).

Les conditions aux limites sont du type Dirichlet à l’entrée (vitesse imposée) et à la sortie (sortie de fluide à la pression atmosphérique).

La surface libre a été modélisée par un plan de symétrie, approche couramment utilisée avec succès lorsque la surface libre est horizontale (Stovin et al. 1994, Adamsson et al. 2003, Dufresne et al. 2009).

La construction du maillage constitue la première étape de toute simulation numérique. Cette construction concerne non seulement le nombre de mailles mais aussi leur taille et leur forme.

Typiquement, on densifie le maillage dans les zones où de forts gradients sont attendus. Inversement, dans les zones où les gradients sont probablement faibles, des mailles plus grandes peuvent être utilisées. Concernant la forme, on privilégie les mailles hexaédriques.

Cependant, dans le cas de géométries complexes, de telles mailles ne sont pas toujours utilisables ; des cellules tétraédriques peuvent alors, par exemple, être utilisées.

Pour obtenir des résultats de simulation corrects, le maillage doit être construit avec le plus grand soin. Le choix du nombre de mailles constitue un compromis entre le temps de calcul et la qualité des résultats.

En général, on constate que les résultats n’évoluent plus de façon significative au delà d’un certain nombre de mailles.

Construire un maillage plus fin n’est donc pas nécessaire.

Si la concordance avec les expériences est malgré tout mauvaise, il faut, non pas affiner le maillage, mais modifier le choix des modèles.

Le maillage qui a été choisi a fait l’objet d’une étude de sensibilité.

Trois maillages ont été testés :

• 300 000 mailles ;
• 700 000 mailles ;
• 1 500 000 mailles.

Les résultats ont montré qu’un maillage à 700 000 mailles est performant du point de vue des résultats et du temps de calcul (Vazquez et al. 2009).

Nous avons choisi de réaliser les comparaisons en prenant pour référence le débit d’alimentation des lames.

Celui-ci a été choisi comme indiqué sur la figure suivante :

Comme illustré sur la figure 2, les lames sont regroupées par paquets de 10 (sauf le dernier qui en comporte 7). On dispose ainsi de 9 débits d’entrée.

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CARACTERISTIQUES DU DECANTEUR LAMELLAIRE A FLUX CROISES

L’objectif de cette partie est la comparaison des performances des décanteurs ayant différents modes d’alimentation des eaux brutes et différents modes de sortie des eaux claires.

On rappelle que le principal critère de performance consiste à avoir une alimentation des lames la plus homogène possible.

Le taux de recirculation avec le fond est également un critère de qualité, plus le taux est faible et moins il y aura de remise en suspension.

Une répartition homogène dans chaque lame représente 1,15% du débit d’entrée c’est-à-dire pour un paquet de 10 lames nous avons 11,5% du débit d’entrée et pour les 7 dernières lames 8.05%.

Ces valeurs constituent une répartition idéale du débit.

Les lames ont les dimensions suivantes : 3,20 m de largeur x 2,0 m de hauteur. La surface de décantation est constituée par des plaques planes, ce qui les différencie des plaques utilisées pour fabriquer les lames de décanteurs lamellaires à contre-courant (plaques nervurées).

Nous avons retenu les caractéristiques géométriques et hydrauliques suivantes :

• Débit de traitement dans le compartiment lamellaire : 0,088 m3/s
• Hauteur des lames : 2,00 m
• Largeur des lames : 3,20 m
• Espaces entre lames : 0,09 m
• Angle d’inclinaison : 55 °
• Vitesse de sédimentation retenue : 1 m/h
• Nombre de lames : 87
• Hauteur minimale sous lamelles : 0,80 m
• Largeur du couloir d’alimentation : 1,20 m
• Largeur du couloir d’évacuation : 1,20 m
• Surface de décantation pour le compartiment décanteur : 557 m2
• Surface de décantation projetée : 319 m2
• Vitesse d’écoulement moyen : 0,43 cm/s

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LES TESTS

Huit configurations ont été testées :

TEST 1

Entrée directe sans canal d’alimentation et sans déversoir de sortie.

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 TEST 2

Entrée directe sans canal d’alimentation et avec 5 déversoirs de sortie.

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TEST 3

Entrée avec canal d’alimentation percé de 5 baies, et sortie par 5 déversoirs

 TEST 4

Entrée indirecte sans canal d’alimentation et sortie par 5 déversoirs

TEST 5

Entrée avec canal d’alimentation percé de 8 baies et sortie par un déversoir unique.

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 TEST 6

Entrée avec canal d’alimentation percé de 8 baies avec déflecteur et sortie par un déversoir unique.

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 TEST 7

Entrée indirecte sans canal d’alimentation avec déflecteur et sortie par 5 déversoirs

 TEST 8

Entrée indirecte avec voile siphoïde, puis canal comportant 8 seuils d’alimentation suivis de manchettes plongeantes, et sortie avec un déversoir unique.

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RESULTATS

La figure suivante montre l’évolution du débit d’entrée pour chaque groupe de lame et pour les 8 cas testés.

Les deux premiers tests montrent des débits négatifs à travers les 30 premières lames. Ces re-circulations engendrent une élévation du débit par rapport à la solution idéale pour les groupes de lame les plus éloignés de l’entrée.

Les figures suivantes montrent les lignes de courants pour les cas 1 et 2.

Pour ces deux tests, l’effluent brut pénètre dans le couloir d’alimentation avec une vitesse de l’ordre de 0,5 m/s.

Le flux percute le voile placé au fond du couloir, puis repart en sens inverse, ce qui crée une grande recirculation dans le canal d’entrée.

Dans cette configuration, il sera difficile d’avoir une répartition homogène des débits dans chaque groupe de lames.

Plus de 80% du débit transite dans les 17 dernières lames.

Les recirculations horizontales à travers les lames du décanteur représentent au maximum 46.9% du débit d’entrée pour le test 2.

L’ajout des déversoirs de sortie ne permet pas de réduire la recirculation dans le canal d’entrée ni d’améliorer la répartition de l’eau entre les lames.

Pour les tests 3 et 4, on compare essentiellement la forme de l’alimentation.

Dans cette configuration, on constate que la répartition des vitesses est plus homogène que précédemment.

Pour le test 3, on remarque que les lames qui sont en face des baies d’entrée profitent bien de l’écoulement ; en revanche, celles qui sont en quinconce ont l’effet contraire. Les recirculations horizontales représentent 33.1% du débit d’entrée.

Dans le test 4, on a cherché à « casser » la vitesse en entrée afin de ralentir l’écoulement et d’homogénéiser la répartition du flux entre chaque lame.

La canalisation d’entrée a ainsi été décalée pour que le flux vienne percuter le mur.

On observe une nette amélioration de la répartition du débit entre les différentes lames.

Les recirculations horizontales ne représentent plus que 8.9% du débit d’entrée.

La tranquillisation du flux en entrée permet une meilleure répartition des débits dans les différentes lames. Le test 4 est plus performant que le test 3.

Le test 5 cherche à améliorer le test 3 en ajoutant 3 baies supplémentaires en entrée. On dispose ainsi de 8 baies d’entrée.

Les déversoirs de sortie ne permettant pas d’améliorer la répartition homogène des débits dans les lames, il a donc été décidé de ne disposer qu’un seul déversoir de surverse plus large en sortie.

On remarque que la répartition – qui n’est pas encore suffisamment homogène – s’améliore par rapport aux tests 1 et 2. Les recirculations horizontales représentent 24.6% du débit d’entrée. Elles sont meilleures que dans le cas du test 3.

Les recirculations horizontales représentent 24.6% du débit d’entrée.

Le test 6 reprend le modèle précédent mais avec en plus un déflecteur en tête pour « casser » les vitesses en entrée (comme pour le test 4).

On constate une légère amélioration par rapport au test 5. En effet, la valeur maximum de débit dans les lames passe de 26.1% (entrée 71-80 figure 69) à 21.9% (entrée 71-80 figure 80).

Les recirculations horizontales représentent 15.5% du débit d’entrée.

L’objectif du test 7 est de reprendre la modélisation 4 et d’ajouter une paroi déflectrice en entrée avec toujours pour même objectif de réduire les vitesses en entrée.

Concernant le test 7 par rapport au cas 4, on remarque qu’il n’y a plus de recirculation entre les lames.

Le débit n’est pas « parfaitement homogène » mais il représente toutefois un écart faible par rapport à la répartition homogène de 11.5% pour 10 lames.

Le test 8 reprend le principe des modélisations 6 et 7 mais en disposant des seuils au lieu de baies en entrée et en ajoutant des manchettes siphoïdes derrière les 8 seuils.

Concernant le test 8, la répartition des débits d’entrée est quasiment identique au cas test 6.

On remarque également que l’évolution des débits dans les lames est inversement proportionnelle au débit dans chaque seuil d’entrée, ce qui démontre l’utilité des manchettes siphoïdes pour améliorer la répartition de l’eau brutes dans les lames.

On remarque que le dernier test est le plus performant en termes de débit homogène sur l’ensemble des lames.

Le graphique suivant représente le pourcentage de recirculation verticale avec le fond (rapport du débit re-circulé sur le débit d’entrée) en fonction des différents tests.

La recirculation est limitée (< 20%) pour l’ensemble des cas testés à l’exception des cas 2 et 5.

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CONCLUSION

L’objectif de cette étude a été d’optimiser les configurations d’entrée et de sortie d’un décanteur lamellaire à flux croisés.

Nous avons pu montrer l’intérêt de la modélisation tridimensionnelle en termes de compréhension hydrodynamique de l’ouvrage de décantation.

L’optimisation des formes de l’ouvrage a montré que la tranquillisation et la répartition des flux est beaucoup plus importante sur la partie amont que sur la zone aval.

Sans dispositif d’entrée particulier, un pourcentage très élevé (80%) du débit passe dans 20% des lames.

La répartition est médiocre et le décanteur ne peut donner les performances qui sont attendues compte tenu de la faible surface de décantation active mise en jeu.

La création de chicanes, de siphons ou de parois plongeantes permettent de diminuer la vitesse à l’amont des lames.

En modifiant peu à peu les modèles testés, nous avons obtenu un modèle de décanteur lamellaire permettant d’homogénéiser au maximum la vitesse à travers les lames.

Parmi les huit cas testés, nous retiendrons les cas 7 et 8 comme étant les plus performants par rapports au critère retenu.

Un argument en faveur des décanteurs lamellaires à flux croisés que l’on trouve dans les documentations commerciales est que la zone de stockage des boues est protégée des phénomènes de réentrainement puisqu’elle est délimitée par deux murs.

On constate dans notre étude, que les recirculations avec le fond des lames génèrent des vitesses verticales locales inférieures à 2,5 cm/s.

Ces faibles vitesses ne vont « probablement » pas générer de recirculation de matières en suspension.

Toutefois, des données expérimentales permettraient de justifier la tranquillisation hydrodynamique de cette partie de l’ouvrage.

En conclusion, les simulations numériques ont permis de tester différents concepts de décanteur.

Les modèles numériques arrivent à prédire si un ouvrage fonctionne de manière satisfaisante du point de vue hydraulique.

Mise à part une campagne de mesure en entrée et en sortie sur de longues séries d’épisodes pluvieux, la modélisation numérique permet de donner à l’investisseur une garantie de fonctionnement hydraulique et donc de traitement, préalablement à la réalisation d’un ouvrage.

 

GLOSSAIRE

Définition des principaux termes liés à la sédimentation ou à la centrifugation :

• Suspension : système constitué par une phase solide dispersée dans une phase fluide
• Emulsion : système constitué par une phase liquide dispersée dans une autre phase liquide
• Phase continue : phase fluide dans laquelle s’effectue la dispersion
• Sédimentation : séparation sous l’influence de la gravité d’une phase dispersée solide ayant une densité plus grande que la phase fluide continue qui la contient
• Epaississement : terme employé en sédimentation lorsque l’on s’intéresse spécifiquement à la phase solide (boues)
• Clarification : terme employé en sédimentation lorsque l’on s’interresse spécifiquement à la phase liquide (liquide clarifié ou liquide clair)
• Décantation : terme utilisé en remplacement de sédimentation lorsqu’il s’agit d’une émulsion, ou plus généralement pour la séparation de 2 phases liquides non miscibles (voir extraction liquide-liquide)
• Floculation : association de particules solides en flocs, de plus grosse taille que les particules initiales et sédimentant à une vitesse supérieure. La floculation est en général provoquée par l’adition d’agents floculants.
• Flottation : procédé qui consiste à enrober les particules solides d’une couche d’air, ce qui conduit à une densité moyenne particule-air plus faible que le liquide, et au phénomène inverse de la sédimentation.
• Force centrifuge : si r est la distance par rapport à l’axe de rotation et ω la vitesse de rotation en rad.s-1, une masse m est soumise à une accélération rω2et à une force mrω2 analogue à g, accélération de la pesanteur et mg, poids. Le nombre de g s’exprime par rω2/g.
• Temps de séjour : temps moyen que met le fluide pour traverser l’appareil concerné. Ex : un réacteur contenant un volume de liquide de 5m3et alimenté à raison de 1m3.h-1 présente un temps de séjour moyen de 5h. Le temps de séjour d’une particule de fluide quelconque est proche du temps de séjour moyen dans le cas d’un écoulement piston avec profil de vitesse plat. Le temps de séjour d’une particule de fluide quelconque peut être très différent du temps de séjour moyen dans le cas d’un profil de vitesse parabolique (régime laminaire), ou d’un réacteur parfaitement agité. On parle alors de distribution de temps de séjour.

  

BIBLIOGRAPHIE

• Adamsson, Å., Stovin, V.R. & Saul, A.J. (2003). Bed shear stress boundary condition for storage tank sedimentation. Journal of Environmental Engineering, 129(7), 651-658.
• Ashley, R.M., Bertrand-Krajewski, J.L. &Hvited-Jacobsen, T. (2004). Solids in sewers. IWA publishing, Scientificand technical report n°14.
• Chebbo, G. (1992). Solides des rejets urbains par temps de pluie : caractérisation et traitabilité. Thèse dedoctorat, Ecole nationale des ponts et chaussées, Paris, France.
• Chocat, B. (1997). Encyclopédie de l’hydrologie urbaine et de l’assainissement, Bassins de retenue p. 95,Eurydice 92, Ed Tec&Doc Lavoisier, Paris, 1997, 1121 p.
• Dufresne, M., Vazquez, J., Terfous, A., Ghenaim, A. & Poulet, J.B. (2009). Experimental investigation and CFD modelling of flow, sedimentation, and solids separation in a combined sewer detention tank. Computers &Fluids 38(5), 042-1049.
• Fluent (2001). Fluent 6.0 software User’s Guide. Fluent Inc.
• Lipeme-Kouyi, G. (2004). Expérimentations et modélisations tridimensionnelles de l’hydrodynamique et de laséparation particulaire dans les déversoirs d’orage. Thèse de doctorat, Université Louis Pasteur (Strasbourg1), Strasbourg, France.
• Stovin, V.R. & Saul, A.J. (1994). Sedimentation in storage tank structures. Water Science and Technology, 29(1-2), 363-372.
• Vazquez, J., Morin, A., Wertel, J. & Dufresne, M., (2009) Optimisation Hydrodynamique des décanteurs lamellaires à flux croisés, Rapport de convention d’étude pour la société Hydroconcept.
• Versteeg, H.K. &Malalasekera, W. (1995). An introduction to computational fluid dynamics. Prentice Hall.

Vidéos

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https://youtu.be/GnPURjyABWo

Imitons le cas des moules et de leur système de respiration dont les branchies lamellaires ont aussi la vocation de filtrer l’eau. 

Chaque jour une moule filtre de 20 à 25 litres d’eau de mer, ingérant et accumulant ainsi des particules de plastique qui regorgent dans les océans, soit plus de 9.000 litres d’eau filtrée par moule.

Les moules contiennent ainsi 300 particules par portion de 300 grammes. Autant de plastique qui se retrouve donc dans l’assiette du consommateur de moules (et de crustacés).

Certaines sortes de moules peuvent être cultivées dans des bassins. Leur présence est considérée comme une valeur ajoutée pour l’équilibre naturel.

Les moules se nourrissent de micro-organismes présents dans le bassin.

C’est pourquoi nous leur donnons le surnom de « filtre naturel ».

Les moules peuvent contribuer à une eau plus claire, et ce, la plupart du temps, en combinaison avec une installation filtrante ou de nombreuses plantes appropriées.