TPE 2004/2005 Groupe n° 7

1. TPE 2004/2005 Groupe n° 7 ENOUF François TS4 SEILHEAN Damien TS4 Sujet : La décantation. Matières dominantes : Physique et Chimie.

2. Cliquez sur les titres pour vous rendre à la page correspondante. Index Introduction générale I) Importance de la décantation dans une station d’épuration. Introduction 1) Le prétraitement. 2) Traitement Primaire. 3) Traitement Secondaire. II) Optimisation de la décantation. 1)Le phénomène gravitationnel 2) Accélération grâce à l’oxygène 3) La floculation Conclusion et Bibliographie

3. INTRODUCTION GENERALE Le traitement des eaux usées est un thème important. Les rejets aussi bien civils qu’industriels étant considérables, il est devenu primordial aujourd’hui de bénéficier d’un système de retraitement efficace et optimisé. Nous allons voir dans une première partie assez théorique que la décantation est un phénomène récurrent et majeur du cycle d’une station d’épuration. Puis nous tenterons de répondre à la problématique suivante: « Quelles techniques liées à la physique ou la chimie permettent d’optimiser la décantation ? »

4. I. Importance de la décantation dans une station d’épuration. Introduction: Nous sommes allés visiter la station d’épuration de Verson, construite en 1996. Elle se charge de traiter les eaux usées de 8 communes aux alentours, ce qui représente environ 10000 habitants. Elle peut accueillir les eaux usées de 20000 habitants soit 1500 à 2000 m3 par jour. La station ne récolte que les eaux usées, pas les eaux pluviales, car elle est raccordée à un réseau séparatif. Non allons suivre et analyser le cheminement de l’eau dans la station d’épuration, en décrivant les différentes étapes. Le séjour de l’eau dans la station est de 12 jours. Nous allons ainsi évaluer l’importance de la décantation dans le processus de traitement des eaux usées.

5. 1) Le prétraitement.  C’est la première étape du traitement des eaux usées dans la station. Elle consiste en l’évacuation de la pollution visible contenue dans l’eau. Pour ce faire on a recours à deux outils: o Le dégrilleur : Il est constitué d’une grille métallique courbe (largeur : 80 cm) à mailles verticales de 10 mm sur laquelle viennent s’entasser les déchets les plus volumineux. Dégrilleur de la station de Verson.

6. oLe dessableur-dégraisseur: C’est un cylindre dans lequel l’eau arrive après être passée dans le dégrilleur. Les graisses, moins denses que l’eau sont récoltées en surface par un “bras” qui forme un arc de cercle au-dessus du bassin. La remontée des graisses est favorisée par l’injection de bulles d’air dans le dessableur. Ces graisses sont envoyées à la station d’épuration de Caen pour y être traitées biologiquement. Les sables et petits cailloux, par décantation, tombent au fond du dessableur, qui a la forme d’un entonnoir. Une pompe aspire régulièrement ces éléments décantés. Ces particules sont ensuite envoyées vers la dernière étape du pré traitement: Dessableur-dégraisseur

7. o Le classificateur : Il a pour but de séparer l’eau et le sable par un système de vis sans fin. La partie solide est recyclée sous forme de matériaux de remblais. Classificateur

8. 2) Traitement Primaire. Cette étape a quant à elle pour but de traiter la pollution invisible (la plus dangereuse). On utilise des bactéries pour s’en débarrasser. Cette étape a lieu dans le Bassin Biologique. Ce bassin est constitué de 3 zones circulaires. L’eau y circule du milieu vers l’extérieur. Progressivement l’eau est dépolluée de ces espèces chimiques nocives et les plus présentes: Carbone (présent dans le glucose C6H12O6 entre autres), Azote (Sous forme organique NH3 ou NH4+), Phosphore (PO43-). Cette étape étant purement biologique et chimique, il ne nous est pas nécessaire de la développer en profondeur dans le cadre de ce TPE.

9. 3) Traitement Secondaire. Cette étape a lieu dans le clarificateur où règne un calme plat. Ce calme permet la décantation des bactéries et des particules agglomérées ( par le traitement primaire ) qui tombent au fond du bassin. Un racleur qui tourne à vitesse constante de 4 cm.s-1 (Il effectue une révolution en 35 min ) ramasse les boues décantées au fond du clarificateur. L’eau claire qui apparaît à la surface, par débordement, est récupérée sur la périphérie du bassin puis elle est déversée dans l’Odon ( ¾ dans le grand Odon, ¼ dans le petit ). Clarificateur

10. On remarque ainsi que la décantation est très présente dans le processus de retraitement des eaux usées ( prétraitement et traitement secondaire ). La décantation dans la station que nous avons visitée est toujours associée à un calme plat ce qui est indispensable à celle-ci. Un calme absolu accélère le processus de décantation mais il existe d’autres méthodes pour optimiser celui-ci. Nous allons les étudier dans notre deuxième grande partie.

11. II) Optimisation de la décantation. 1)Le phénomène gravitationnel La décantation se fait par stagnation ou passage à faible vitesse d'un volume d'eau de manière à laisser se déposer, de par le poids, les impuretés et particules en suspension. Il s’agit donc d’un phénomène physique : une bonne partie des matières solides en suspension, agglomérées en floc, de l’eau usée se dépose au fond des bassins, d'où elles sont raclées mécaniquement puis pompées. La présence de lamelles inclinées et parallèles dans la partie supérieure des décanteurs, permet de diminuer la surface totale requise pour l’occupation au sol des décanteurs, en augmentant la surface de décantation d’où la forme cylindro-conique (en entonnoir) du bassin décanteur vu à la station d’épuration. Parfois les bassins à décantation comportent également une phase d'épaississement des boues décantées au fond des bassins. L'épaississement a pour but d'augmenter la concentration des boues collectées dans les décanteurs, tout en évitant d'atteindre une concentration incompatible avec le pompage de ces boues. Les boues qui sont extraites des décanteurs-épaississeurs contiennent 5% de solides.

12. La décantation statique consiste donc en un écoulement des particules sans turbulences, ni courants. Les particules sont considérées indépendantes et tombent à leur propre vitesse Le principe est que les particules atteignent le fond du décanteur avant de sortir. Il s’agit de la décantation la plus basique. Seul un calme le plus plat possible permet son optimisation. C’est ce phénomène qui est utilisé dans le clarificateur de la station d’épuration.

13. 2) Accélération grâce à l’oxygène L’utilisation d’oxygène améliore l’efficacité de l’unité de traitement des eaux dans de grandes proportions. Elle accroît également la capacité des boues à se déposer et réduit de façon substantielle les émissions responsables des mauvaises odeurs. Nous avons voulu tester expérimentalement cette technique pour observer son effet sur la vitesse de décantation. Protocole expérimental : Nous avons 2 échantillons identiques d’eau usée (à base de compost, de terre, et d’eau tirée du bassin biologique de la station d’épuration que nous avons visitée) notés Tube 1 et Tube 2. Dans le Tube 1 nous avons introduit de l’oxygène pur à l’aide d’un bouteille à oxygène et d’un bulleur. Le Tube 2, témoin, est agité durant l’introduction de l’oxygène dans le Tube 2 pour éviter un début de décantation. Après 10 min de calme plat pour les 2 tubes on extrait un échantillon de chaque Tube. O2 Tube 1 Tube 2

14. On obtient, au premier essai, 2 courbes relativement proches l’une de l’autre. On observe que la transmitance du tube témoin (2) est globalement plus élevée que celle du tube oxygéné sur une période de 15 min. L’eau sale contient des bactéries (en particulier des bactérie provenant du bassin biologique de la station d’épuration visitée). En théorie, avec de l’oxygène ces bactéries vont se reproduire plus rapidement et donc dégrader plus rapidement les déchets organiques de l’échantillon. Il faut aussi prendre en compte la rôle oxydant de l’O2. La décantation devrait donc être plus rapide dans l’eau oxygénée donc la transmitance plus élevée dans le tube 1. Ce n’est pas le cas lors de notre expérience, nous avons observé le phénomène inverse. Nous avons réalisé un 2e essai pour confirmer ces observations, nous avons obtenu les courbes ci-contre:

15. Cette fois-ci la pente de la courbe du Tube 1 (oxygéné) est parfois plus importante que celle du tube 2 mais la transmitance du tube 2 reste plus élevée que celle du tube 1. La manipulation expérimentale ne nous a pas permis de vérifier que l’oxygène optimise la décantation, cependant nous avons remarqué que les mauvaises odeurs étaient bien moins prononcées dans le tube 1 oxygéné (rôle oxydant de l’O2 ). Les résultats de cette expérience nous amènent à la critiquer, en particulier au niveau du facteur temps. En effet 15 minutes est une durée assez courte ne permettant pas des observations relatives aux relations chimiques et biologiques qui auraient sûrement besoin de plus de temps pour se réaliser.

16. 3) La floculation La floculation est un phénomène qui consiste en l’agglomération des particules. Celles-ci, plus lourdes, décantent donc plus rapidement. La floculation a lieu avant la décantation. Le coagulant principal utilisé en station est l'alun et l'aide coagulant est un polymère anionique. La vitesse de chute des particules est proportionnelle aux diamètres, à la masse volumique (de la particule et du liquide) et à l'accélération de la pesanteur (tandis qu'elle est inversement proportionnelle à la viscosité dynamique du liquide). Ainsi, les paramètres qui influencent la vitesse de la particule sont peu nombreux.

17. Nous avons réalisé 2 expériences pour expérimenter le phénomène de la floculation. o Première expérience: utilisation d’un alun comme floculant. Protocole expérimental: Nous avons rempli 2 verres d’argile diluée dans de l’eau. Dans un petit contenant nous avons placé 1 cuillère à thé d’alun puis nous avons ajouté 30 mL d’eau, ce mélange a été versé dans un des 2 verres . Observations: L’alun de potasse n’a pas beaucoup d’effet sur la décantation. Nous avons donc réalisé la même expérience avec l’alun de fer II. Le résultat n’est malheureusement pas plus visible à court terme.

18. o Deuxième expérience: Utilisation du sel de mer comme floculant. Protocole Expérimental: Nous avons préparé une solution d’argile en mélangeant 20 g de terre argileuse dans 20 mL d’eau distillée. Cette solution a été agitée pendant 15 min et a reposé 10 min. Nous avons ensuite prélevé 10 mL de surnageant et l’avons mis dans un tube à essai (1) avec le même volume d’eau de mer (Na+ , Ca2+). Nous avons à nouveau prélevé 10 mL de surnageant et l’avons mis dans un autre tube à essai (2) avec le même volume d’eau distillée qui constitue un tube témoin. 1 2 1 2 Observations: Au bout de 10 min le tube contenant l’eau de mer présente une floculation rapide due à la fixation des ion Na+ et surtout Ca2+ avec les particules argileuses chargées négativement. Ceci entraîne la formation de flocons de grosse taille qui décantent plus rapidement. On a donc une décantation optimisée dans le tube contenant l’eau de mer(1).

19. Conclusion: Nous avons ainsi établi et tenté d’expliquer une liste non exhaustive des techniques permettant d’optimiser la décantation : une méthode physique qui correspond à la définition de la décantation (le calme plat), une méthode biologique(avec l’oxydation) et une méthode chimique (avec la floculation) . Nous avons essayé d’en tester expérimentalement le maximum même si les résultats étaient rarement satisfaisants. A chaque fois, nous avons remis en cause nos protocoles expérimentaux, tenté de trouver les limites de ceux-ci et essayé de comprendre les résultats obtenus. Pour conclure, nous pouvons dire que la décantation est un phénomène possédant un grand potentiel expérimental. C’est le phénomène principal utilisé dans le système de retraitement des eaux usées et la recherche scientifique est très active à ce sujet. Mais pour pouvoir étudier le potentiel de la décantation plus en profondeur, il faudrait plus de temps et travailler sur des volumes d’eau plus grands qu’en laboratoire. L’idéal serait d’utiliser ceux utilisés en station d’épuration (environ dans les 400m3) sur des périodes d’environ 24 heures. Alors les résultats seraient sûrement plus fiables que ceux obtenus en laboratoire…

20. BIBLIOGRAPHIE : http://www.regie.netc.net/decant.htm http://www.lenntech.com/fran%C3%A7ais/decantation.htm http://www.lenntech.com/fran%C3%A7ais/coagulation-floculation.htm http://www.lenntech.com/fran%C3%A7ais/eaux-usees.htm http://www.emse.fr/~brodhag/TRAITEME/fich9_13.htm http://www.ademe.fr/partenaires/Boues/Pages/f14.htm http://www.france.airliquide.com/fr/business/gas_appli/enviro/index.asphttp://www.cieau.com/junior/sommaire/8/84.htmhttp://www.gedo.fr/ficheconseil/traiteau/guidea.htmhttp://www.gedo.fr/ficheconseil/traiteau/guidee.htm