PARTIE 2 : LA CLARIFICATION
PROCESSUS ELEMENTAIRES
DU GENIE PHYSICO-CHIMIQUE DU TRAITEMENT DE L’EAU
CHAPITRE 2.1 : LA COAGULATION- FLOCULATION-DECANTATIONFLOTTATION
Introduction :
La couleur et la turbidité d’une eau de surface sont liées à la présence de particules de très
faibles diamètres appelées colloïdes.
Suite au procédé de coagulation – floculation, on obtient un agglomérat de colloïdes appelés flocs,
pouvant être facilement éliminés par décantation, flottation ou simple filtration (Chapitre 2.2)
Photo 1 : COAGULATION/FLOCULATION/DECANTATION (ACTIFLO, OTV)
Photo 2 : COAGULATION/FLOCULATION/FLOTTATION (AQUADAF, DEGREMONT)
1 – ALIMENTATION D’EAU BRUTE
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L’eau coagulée dans un mélangeur rapide en ligne pénètre dans le canal de distribution en amont
de la cellule de floculation. Qu’est-ce que la coagulation ?
2 - CELLULE DE FLOCULATION
L’eau coagulée est répartie uniformément dans chaque flottateur muni de 2 étages de floculation
équipés en général de mélangeurs à moteurs à fréquence variable.
Le procédé de flottation AquaDAF® ne requiert que la formation de micro-flocs légers,
réduisant ou éliminant l’ajout de polymère de floculation. Le temps requis pour cette réaction est
en général de 8 à 10 minutes. Qu’est-ce que la floculation ?
3 – ZONE DE DISPERSION AIR-EAU
L’eau floculée est alors dirigée vers la zone de dispersion où elle est mélangée avec la partie
recyclée saturée en air dissous. Cette partie représente environ 8 à 12% du débit traité et
recirculé à travers le ballon de saturation sous pression (4 à 6 bar). Le courant de recirculation
est alors dépressurisé à travers une série de busettes de relâche, lesquelles sont immergées et
réparties sur toute la largeur de la zone de transition. Cette dépressurisation crée des milliers
de micro-bulles qui se dispersent dans la cellule de flottation.
4 – CELLULE DE FLOTTATION
Le principe, derrière le procédé de flottation, est la formation d’un lit dense de micro-bulles, à
l’intérieur de la zone de flottation. Les particules floculées s’agglomèreront aux micro-bulles lors
de leur remontée en surface, clarifiant ainsi l’eau.
5 – ACCUMULATION DE BOUES
Les solides flottés s’accumulent en surface de l’AquaDAF® produisant une épaisse couche de
boue. Deux méthodes d’extraction permettent l’élimination du lit de boues flottées :
 Méthode hydraulique, par laquelle un déversoir d’effluent s’ouvre automatiquement avec
une fréquence prédéfinie. Conséquemment, le niveau d’eau dans la zone de flottation
augmente et la boue est déversée dans la goulotte d’évacuation des boues.
 Méthode mécanique, par laquelle un racleur mécanique s’avancera en poussant la couche
de solides flottés vers la goulotte d’évacuation des boues.
6 – COLLECTE D’EAU TRAITEE
L’eau clarifiée est recueillie uniformément à travers un plancher de collecte perforé.
Ce système breveté, combiné à d’autres avancées technologiques du procédé, crée une résistance
au-dessus de la cellule de flottation, entraînant une répartition uniforme et efficace à travers
toute la surface du bassin.
APPLICATIONS :
A
A.I
LA COAGULATION/FLOCULATION
Les suspensions colloïdales
Page 2 sur 29
A.I.1 Matières en suspensions
Ces produits peuvent être d’origine minérale (sables, limons, argiles…) ou d’origine organique
(produits de la décomposition des matières végétales ou animales, acides humiques ou fulviques
par exemple). A ces composés s’ajoutent les micro-organismes tels que les bactéries, plancton,
algues et virus. Ces substances sont responsables de la turbidité et de la couleur.
A.I.2 Matières colloïdales
a
Définition
Ce sont des MES (Matières En Suspensions) de même origine que les précédentes mais de plus
petites tailles (moins de 1 micromètre de diamètre).
b
Temps de décantation
Tableau 1 : temps mis par certaines particules pour décanter sur 1 mètre d’eau.
On remarque que plus le diamètre de la particule est faible, plus le temps mis pour décanter est
grand.
c
Problématique
Leur décantation ou flottation est alors excessivement lente, elles peuvent donc rester en
suspension durant de très longues périodes. Elles sont également génératrices de turbidité et de
couleur.
Les colloïdes sont donc des particules impossibles à décanter naturellement. En effet les
colloïdes sont soumis à deux grands types de forces :
 Force d’attraction de Van der Vaals : liée à la structure et à la forme des colloïdes, ainsi
qu’à la nature du milieu.
 Force de répulsion électrostatique : Liée aux charges superficielles des colloïdes.
d
Solution(s)
Pour favoriser la formation d’un floc, il va être nécessaire de déstabiliser la suspension. Pour ce
faire, il faut diminuer les forces de répulsion électrostatique. C’est l’étape de coagulation qui va
réaliser cette déstabilisation.
Théorie :
Les colloïdes présents dans l’eau sont très généralement chargés négativement (imperfections du
réseau cristallin). Afin de neutraliser cette charge négative de surface (dans le but de
déstabiliser le colloïde), des ions positifs présents dans l’eau ou ajoutés, viennent former une
couche autour du colloïde.
e
Conclusion
On va donc utiliser le procédé de
coagulation/floculation pour faciliter et
optimiser leur élimination, et ainsi réduire la
couleur et la turbidité de l’eau.
Photo 3 : Destabilisation
A.II Les étapes de l’agrégation
Page 3 sur 29
A.II.1
La coagulation
C’est la déstabilisation des particules par ajout d’un réactif chimique, le coagulant (exemple :
le chlorure ferrique, le chlorure d’aluminium…)
a. Les coagulants
Cations trivalents
La neutralisation de la charge superficielle négative du colloïde est réalisée par l’ajout de cations
dans le cas de coagulants minéraux.
La coagulation sera d’autant plus efficace que la valence (Z) du cation est élevée.
En effet pour diminuer l’énergie de répulsion on peut augmenter la force ionique de la solution.
Cette dernière dépend de la nature des ions qui se trouvent en solution.

C Z
n
2
n
C : concentration
n
2
Donc l’addition de charges opposées est
d’autant plus efficace pour déstabiliser les
colloïdes, que la charge de ses ions est
élevée.
Pour déstabiliser une suspension, on va ajouter dans le milieu un coagulant qui va neutraliser la
charge négative du colloïde. De préférence un cation trivalent car celui-ci est 10 fois plus
efficace qu’un ion divalent.
Inclusion du colloïde dans un précipité d’hydroxyde
Le colloïde va alors être piégé dans un précipité de type Al(OH)3, Fe(OH)3. (Les sels de fer et
d’aluminium sont très largement utilisés dans tous les traitements de coagulation d’eau.)
Les coagulants minéraux
 Les sels d’aluminium : Sulfate d’aluminium, chlorure d’aluminium
Réaction de base lors de l’ajout de Al3+ :
Al3+ + 3H2O ―› Al(OH)3 + 3H+
L’ajout du coagulant entraîne une diminution du pH, et cette acidité peut être neutralisée par la
présence d’une alcalinité (ex : les ions hydrogénocarbonates) dans l’eau :
HCO-3 + H+ ―› H2O + CO2.
Si le pouvoir tampon (TAC ou At) de l’eau brute n’est pas suffisant, cette acidité doit être
compensée par l’adjonction d’une base (soude, carbonate de sodium, chaux)
Soit :
Al3+ + 3HCO3Al(OH)3 + 3CO2
 Les sels de fer : Chlorure ferrique, sulfate ferrique
Application 1
Enoncé : La réaction chimique d’hydrolyse du sulfate d’alumine est la suivante :
Al2(SO4)3,18H2O + 3Ca(HCO3)2  2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 18 H2O + 6CO2
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Le taux de traitement choisi est de 35mg/L
1. Calculer la perte d’alcalinité en mg/L d’HCO3- et en °F
2. Calculer la production de CO2 en mg dans les conditions normales
Réponses :
soit
o
AN :
soit 0,32mmol/L=0,32meq/L=1,6°F
Rappel : C(mmol/L)=C(meq/L)*valence de l’ion et 1°F=0,2meq/L
La perte d’alcalinité est de 1,6°F
0,32mmol/L soit
o
Travail maison :
Enoncé : on injecte du chlorure ferrique dans l’eau à traiter.
Caractéristiques de l’eau à traiter :
TA = 0
TAC=10°F
Le taux de traitement choisi est de 40mg/L
1. Définir TA et TAC
2. Ecrire l’équation de la réaction chimique entre le chlorure ferrique et les ions hydrogénocarbonate.
3. Calculer le TAC de l’eau coagulée (mg/L d’HCO3- et en °F)
Réponses :
1. Cf TP2 série 1
2.
FeCl3 + 3HCO3-
Fe(OH)3 + 3Cl- + 3CO2
3.
Après calculs, la perte d’alcalinité vaut
soit un TAC
Injection du coagulant
 Taux de traitement en coagulant
Le taux de traitement à mettre en œuvre est déterminé par un JAR TEST.
Quantité de coagulant à introduire par litre d’eau à traiter

D 
Calcul du débit de pompe doseuse
Q *
C
D = Débit de la pompe doseuse (m3de coagulant/s)
Q = Débit volumique d’eau à traiter (m3/s)
τ = taux de traitement (mol/L ou concentration massique si ρ)
C (ou ρ si on parle de concentration massique) = concentration de la solution mère de coagulant
(mol/L)
Application 2 :
Enoncé : Sachant que le débit traité par la station est de 300 m3/h, que le taux de traitement en chlorure
ferrique est de 70 mg/L et que la solution commerciale à partir de laquelle on effectue le traitement a une
densité de 1,45 et une concentration massique de 41%, calculer le débit de la pompe doseuse (L/h).
Réponse :
o
Concentration massique de la solution mère :
o
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 Calcul de la distance d’injection, d
Le temps à respecter entre les ajouts de coagulant et de floculant est primordial, d’où la
nécessité de déterminer la distance d’injection du coagulant par rapport à la zone de floculation.
En effet, un floculant n’est efficace que lorsque la phase de coagulation est achevée. La durée de
cette dernière dépend de la nature des colloïdes, mais aussi de la température de l’eau brute.
L’injection du coagulant se fait, très souvent, dans la canalisation avant la zone de floculation (ou
existence d’un bassin de coagulation).
On connaît :
 Le débit volumique d’eau à traiter QV
 Le diamètre de la canalisation, et donc la surface de la section de passage notée S

De ces 2 informations on peut en déduire : La vitesse moyenne d’écoulement de l’eau à
traiter, v.
 Le temps de coagulation, t
On sait que :

v
d
t
v
Et
Qv
S
On en déduit la distance d’injection d :
d
b.
QV * t
Le tout dans les USI
S
Paramètres influençant la coagulation
Influence du pH
Les coagulants minéraux, par suite de leur hydrolyse, modifient les caractéristiques physicochimiques de l’eau à traiter (pH et conductivité)
M3+ + 3 H2O = M(OH)3 + 3H+
M3+ : ion métallique (ex : Fe3+)
C’est la variable la plus importante à prendre en considération pour l’élimination des colloïdes.
Le pH optimal correspond au pH minimum de solubilité de l’hydroxyde considéré.
Le pH optimal peut être ajusté par ajout d’acide ou de base.
Tableau 3 : pH (potentiel hydrogène) optimal
Influence de la température
On a constaté expérimentalement que la plage de pH optimale se rétrécit quand la température
diminue.
On peut surmonter de diverses manières les difficultés dues à une diminution de la température
de l’eau :
 Effectuer la coagulation dans la plage de pH optimale pour cette eau à cette température
 Augmenter la quantité de coagulant, ce qui a pour effet d’accroître la probabilité de
collisions entre les particules et d’élargir la plage de pH optimale
Page 6 sur 29

Augmenter la turbidité de l’eau par ajout de glaise (argile grasse et imperméable) afin
d’alourdir le floc ou ajouter un aide coagulant comme la silice activée (SiO 2 : produite
avec un mélange de silicate de sodium et d’aluminate) pour alourdir et renforcer le floc.
Influence du mélange
Au cours de la coagulation et de la floculation, on procède au mélange des produits chimiques en
deux étapes.
Coagulation : Mélange rapide
A la première étape, le mélange est énergique et de courte durée : c’est le mélange rapide. Ce
mélange a pour principal but d’optimiser la disperser des produits dans la totalité du volume d’eau
à traiter.
On effectue le mélange rapide en injectant les produits chimiques dans une zone de forte
turbulence ou en utilisant des équipements de mélange mécanique. Un mélange rapide inadéquat
entraîne en général un accroissement de la quantité de produits chimiques nécessaires.
Floculation : Mélange lent
L’objectif est de favoriser les contacts entre les particules de floc, de turbidité et de couleur.
Cependant le mélange doit être suffisamment énergique pour engendrer des différences de
vitesse de l’eau dans le bassin, mais pas trop. En effet, si tel est le cas, les forces de cisaillement
qui s’exercent sur les particules de floc risquent de briser ce dernier.
Influence de la turbidité



Il faut ajouter une concentration minimale de coagulant pour obtenir une certaine
quantité de floc.
Lorsque la turbidité augmente, il faut augmenter la concentration de coagulant.
L’augmentation de la quantité de coagulant ne varie toutefois pas de façon linéaire en
fonction de l’augmentation de la turbidité.
Lorsque la turbidité est très élevée, la quantité de coagulant nécessaire est relativement
faible, car la probabilité de collision entre les particules est très élevée. Par contre,
lorsque la turbidité est faible, la coagulation est difficile.
A.II.2
La floculation
C’est l’agglomération de ces particules déchargées en micro-floc, puis en flocons volumineux
et décantables, le floc. Cette floculation peut être améliorée par l’ajout d’un autre réactif :
le floculant ou adjuvant de floculation.
a.
Floculation péricinétique = mouvement brownien des particules
En cas de floculation péricinétique, les contacts entre les particules sont causés par le
mouvement aléatoire de celles-ci.
b.
Floculation orthocinétique
Il s’agit de la floculation provoquée par l’agitation de l’eau. L’agitation facilite l’agrégation en
augmentant la probabilité des collisions entre les particules.
Schéma 1 : Mise en œuvre de la coagulation/floculation
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c.
D 
Les floculants
 Taux de traitement
Q *
C
D = Débit de la pompe doseuse (m3de floculant/s)
Q = Débit volumique d’eau à traiter (m3/s)
τ = taux de traitement (mol/L)
C = concentration de la solution mère de floculant (mol/L)

Nature des floculants

Les floculants minéraux : la silice activée
Premier floculant employé.

Les floculants organiques : polymères naturels
Les alginates : obtenus à partir de l’acide alginique
L’amidon : obtenu à partir de la pomme de terre

Floculant organique de synthèse : Il s’agit de macromolécules à longue
chaîne, obtenues par association de monomère synthétique. Ils ont une
très haute masse molaire. Ils sont, très largement, plus efficaces que les
polymères naturels.
A.III
Bilan
Synthèse :
Pour éliminer la matière colloïdale, on a recours aux procédés de coagulation/floculation. La
coagulation a pour but principal de déstabiliser les particules en suspension, c'est-à-dire de
faciliter leur agglomération. En pratique ce procédé est caractérisé par l’injection et la
dispersion rapide de produits chimiques.
La floculation a pour but de favoriser, à l’aide d’un mélange lent, les contacts entre les particules
déstabilisées. Ces particules s’agglutinent pour former un floc (colloïde piégé dans un précipité
d’hydroxyde) qu’on peut facilement éliminer par les procédés de décantation ou flottation,
filtration.
Conclusion :
Il est important que les procédés de coagulation et de floculation soient utilisés correctement.
En effet la production d’un floc trop petit ou trop léger entraîne une décantation insuffisante.
Les flocs non-retenus par le décanteur arrivent sur les filtres accélérant leur encrassement. Ce
qui nécessite des lavages fréquents.
Par ailleurs lorsque le floc est trop fragile, il se brise en petites particules qui peuvent traverser
le filtre et altérer la qualité de l’eau produite.
Conséquences :


Turbidité, couleur de l’eau traitée élevée en sortie de filtre à sable
Concentration en MES, abattement (% de MES éliminées) faible :
[MES ] Entrée  [MES ]sortie 
[ MES ]entrée
*100
Page 8 sur 29
B.
B.I
B.I.1
LA DECANTATION
Généralités
Objectif(s)
La décantation est la méthode la plus fréquente de séparation des MES et des colloïdes de l’eau,
mais ces derniers (colloïdes) devront être préalablement rassemblés sous forme de flocs après
les étapes de coagulation-floculation (partie A).
Seules les particules ayant une densité supérieure à celle de l’eau décantent.
Applications :

Eau potable

Epuration
B.I.2 Décantation des particules grenues et plus ou moins floculées
a.
décantation des particules grenues
Il s’agit du cas le plus simple.
Figure B.1
: décantation à flux horizontal des particules grenues (bassin de décantation idéal)
Rappels :

V0 : Vitesse de sédimentation (m/s)
V0 
d : diamètre de la particule (m)
µ : viscosité dynamique de l’eau (Pa.s)
ρP : masse volumique de la particule (kg/m3)

Q : débit volumique (m3/s)
l : largeur du bassin (m)

(  p   l ) gd 2
18
ρl : masse volumique du liquide (kg/m3)
g = 9,81 m/s²
V1 : vitesse horizontale de l’eau (m/s)
H : Hauteur de la zone d’entrée (m)
L : longueur du bassin (m)
Condition de capture - flux horizontal (cf démonstration chapitre 1.2)
V0  VH
avec VH, vitesse de Hazen
Les particules grenues décantent indépendamment les unes des autres avec chacune une
vitesse de chute constante (loi de Stokes).
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b.
décantation des particules plus ou moins floculées
Elles ont des tailles et des vitesses de décantation variables.

Décantation diffuse
Figure B.2
décantation à flux horizontal des particules plus ou moins floculées
Lorsque leur concentration est faible, la vitesse de chute augmente au fur et à mesure que les
dimensions du floc s’accroissent par suite de rencontres avec d’autres particules, c’est la
décantation diffuse.
L’efficacité de la décantation diffuse est liée au temps de séjour. On ne peut calculer
mathématiquement la vitesse de décantation d’une particule floculée. On peut seulement en faire
une estimation par des essais en laboratoire.
Figure B.3
colonne de décantation
Soit H la hauteur du décanteur. On effectue des prélèvements d’échantillons à 0,6 ; 1,2 ; 1,8 et
2,4 m de la surface et ce pour des temps de séjour bien défini.
Cette étude de laboratoire permet de tracer le graphique suivant : Influence du temps de séjour
sur le pourcentage des particules éliminées en fonction de la profondeur de décantation.
Figure B.4

Elimination des particules floculées en décantation diffuse : Relation entre temps, hauteur effective et décantation.
Décantation piston
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Pour les concentrations plus élevées, l’abondance des flocs et leurs interactions créent une décantation
d’ensemble, le plus souvent caractérisée par une interface nettement marquée entre la masse boueuse et le liquide
surnageant : c’est la décantation piston, dont la vitesse est optimale dans une zone de concentrations, au-dessus
de laquelle on parle de décantation freinée.
Figure B.4
Courbe de Kynch
Figure B.5
Evolution de la hauteur
des interfaces en fonction du temps,
courbe de Kynch

Indice de Mohlman (sludge volume index) : IM
Un point particulier est considéré sur la courbe de Kynch, celui d’abscisse 30min : Indice de
Mohlman, utilisé pour caractériser la décantabilité des boues biologiques et donc pour le
dimensionnement de leur clarificateur.
V30 : volume de boue après 30min de
décantation
V
I M  30
M : MES présentes dans ce volume de boue
M
L’inconvénient de cet indice est qu’il dépend très nettement de la concentration initiale de la boue. C’est
pourquoi l’on a définit l’indice de boue qui est indépendant de ce dernier paramètre. L’indice de boue est
caractéristique de l’état des boues de la station.

Indice de boue
La courbe de Kynch est déterminée après des dilutions permettant de retrouver un volume de boue, après 30min
de décantation, au voisinage de 200-250mL par L.
IB 
V30 f
M
Photo B.1
tests de décantation en
éprouvettes, effet de la dilution
f étant le facteur de
dilution.
IB < 100 mL/g de MES
100 < IB < 150 mL/g de MES
IB > 150 mL/g de MES
Condition idéale : Les boues sédimentent facilement
et sont le plus souvent bien minéralisées (MVS <
65%)
Condition acceptable pour des installations
fonctionnant dans le domaine de la faible charge –
aération prolongée
Difficultés possibles de décantation liées au
développement de bactéries filamenteuses
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Figure B.6
Valeurs seuil de l’indice de boue
Exemples de dysfonctionnements :
Le foisonnement : indice de boue supérieur à 200. un développement filamenteux important
limite fortement les capacités hydrauliques du clarificateur et peut entraîner des départs de
boue dans le milieu naturel. Lors de l’observation microscopique, on observe une densité
importante de microorganismes filamenteux.
Les mousses biologiques : Les mousses forment des amas de flottants très stables de couleur
marron clair à marron foncé et de structure visqueuse. Leur densité tend à s’accroître
progressivement au cours du temps. Ces mousses sont peu déstructurées par une agitation de
surface et reforment rapidement un tapis uniforme en absence d’agitation. Les bulles de gaz
favorisent la flottation. Ces flottants constituent un milieu favorable au développement privilégié
de certaines bactéries filamenteuses responsable de moussage.
Les bactéries filamenteuses : lors de la multiplication cellulaire, la séparation des cellules mère
et fille restent en contact voire partagent une paroi cellulaire. Ce type de croissance, que l’on
observe également chez les champignons conduit à la formation de filaments pouvant atteindre
500µm de long.
B.II Décantation lamellaire
B.II.1 Principe
La décantation lamellaire repose sur le principe qu’en décantation libre, la rétention d’une
particule grenue est indépendante de la hauteur de l’ouvrage :
H : hauteur de la zone d’entrée
Figure B.7
lamellaire
Avantages
On notera :
l : largeur du décanteur
L : longueur du décanteur
Q
V0 
SH
d’une
décantation
a- Décantation simple
 Emprise au sol : l*L
 Débit traité : Q
b- Décantation lamellaire :
 Emprise au sol identique à
celle du cas a (l*L)
 n cellules de séparation
 Débit
traité :
n
fois
supérieur au débit traité
dans le cas de figure a.
c- Décantation lamellaire :
 Débit traité identique à celui
du cas a
 n cellules de séparation
 emprise au sol n fois
inférieure à celle des cas a
et b
Il est donc possible d’augmenter de façon très importante la surface disponible de
décantation en superposant sur la hauteur de l’ouvrage un grand nombre de cellules
de séparation eau/boue.
Pour des rendements d’élimination identique, la décantation lamellaire permet :
 soit d’augmenter le débit traité tout en ayant la même surface au sol qu’un
décanteur simple.
Page 12 sur 29

soit de réduire la surface au sol tout en traitant le même débit que celui traité par
un décanteur simple.
B.II.2 Mise en œuvre
On peut retrouver plusieurs modèles de faisceaux lamellaires :
 Plaques : planes ou ondulées
 Tubes : ronds, carrés
 Modules hexagonaux (photos 2 et 3)
Photo B.2 : Modules hexagonaux
Photo B.4 : Dépôt de MES sur
modules hexagonaux (vue de dessus)
Photo B.3 : modules hexagonaux avec goulottes de
récupération eau traitée
Figure B.8 : coupe d’un
décanteur lamellaire à modules
hexagonaux
Figure B.9 : Coupe d’un décanteur à
lamelles planes
Afin d’évacuer gravitairement les boues décantées, les lamelles sont inclinées d’un angle θ par
rapport à l’horizontale.
La vitesse de Hazen se calcule alors sur la surface projetée (=nScosϴ) de l’ensemble des
éléments lamellaires :
Figures B.10 et B.11 : Détermination de la surface projetée des lamelles
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Q
VH 
nS cos 
n = nombre de lamelles
angle d’inclinaison de la lamelle
l’horizontale
S = surface d’une lamelle (l*L)
par
ϴ
rapport
=
à
B.II.2 Types de décantation lamellaire
Contre-courant :
l’eau
et
les
boues
décantées circulent en sens inverse. Celle-ci
permet l’organisation hydraulique la plus
simple et la plus fiable.
123456-
Entrée de l’eau floculée
Zone de distribution
Récupération de l’eau décantée
Sortie de l’eau décantée
Fosse à boues
Evacuation des boues
Courants
croisés : l’eau et les boues
décantées circulent perpendiculairement l’un
par rapport à l’autre. L’équirépartition des
flux hydrauliques est délicate. Chaque
cellule doit recevoir le même débit afin
d’éviter les survitesses à l’origine d’une
dégradation de la décantation.
Figure B.12 : Contre-courant
123456-
Entrée de l’eau floculée
Zone de distribution
Récupération de l’eau décantée
Sortie de l’eau décantée
Fosse à boues
Evacuation des boues
cocourant : l’eau et les boues décantées
circulent dans le même sens. Elle se heurte à
de grandes difficultés pour la reprise de
l’eau traitée.
Figure B.14 : courants croisés
123456-
Entrée de l’eau floculée
.
Sortie de l’eau décantée
Fosse à boues
Evacuation des boues
Figure B.13 : Cocourant
Page 14 sur 29
B.II.4 Paramètres influençant l’efficacité d’un système lamellaire

Hydraulique : La forme des lamelles doit favoriser le passage du régime d’écoulement de
turbulent, à l’entrée des lamelles, à laminaire, au sein des lamelles.

Répartition de l’eau dans les cellules : chaque cellule doit recevoir le même débit afin
d’éviter les survitesses limitant l’optimisation de la décantation.

Ecartement des lamelles : il doit être suffisant afin d’éviter le colmatage des lamelles par
la boue décantée et pour permettre éventuellement leur nettoyage.

Surface de décantation équivalente : plus elle est importante, meilleure sera la
décantation.
NB : L’efficacité des modules hexagonaux est supérieure à celle des autres faisceaux, car ils minimisent les
risques de colmatage tout en offrant une surface de décantation équivalente très importante.
B.III.4
Exemples de technologie
Figure B.15 : DENSADEG, Degrémont (décanteur avec recirculation de boues : voir B.III)
123456-
B.III
B.III.1
Coagulation
Floculation agitée
Floculation piston
Cuve de décantation (90% des flocs décantent et s’épaississent sans monter dans le lamellaire)
Epaississement des boues
Décantation lamellaire (récupère 10% des flocs)
Décantation à contacts de boue
Principe
Ce type de décantation applique simultanément les principes de la floculation avec contact de
boues et de la décantation piston des particules floculées.
Page 15 sur 29
L’eau à traiter, préalablement coagulée, est mise en contact avec les boues pré-existantes :
L’augmentation très importante de la possibilité de rencontre entre les colloïdes de l’eau et les
flocs du lit de boue se traduit par une augmentation des vitesses de décantation et de
floculation.
B.III.2
Décantation à recirculation de boues
Les boues sont séparées de l’eau clarifiée dans une zone de décantation. Elles sont ensuite
recyclées vers une zone de réaction et de mélange munie d’une agitation mécanique
(Turbocirculator) ou hydraulique (Thermocirculator), fournissant l’énergie simultanément
nécessaire à la floculation et à la recirculation des boues. L’eau brute, additionnée des réactifs,
est introduite dans cette même zone de mélange.
Le recyclage peut être :

Externe (Thermocirculator
et Densadeg) : les boues sont reprises en
cours d’épaississement par un pompage
étudié pour ne pas détruire le floc. Puis
elles sont réintroduites à l’entrée du
réacteur de floculation.
Légende :
1234567891011-
Arrivée d’eau brute
Pulvérisateur
Arrivée des réactifs
Entonnoir
Cheminée d’écoulement
Tuyauterie d’évacuation des boues
Sortie des gaz incondensables
Entrée de vapeur de réchauffage
Boues recirculées
Départ d’eau condensée vers filtration
Ejecteur de vapeur
Figure B.16 : Thermocirculator

Interne (Turbocirculator) :
Le retour des boues dans la zone de
floculation est provoqué par le même
dispositif (hélice, turbine) que celui qui
assure la turbulence nécessaire à la
floculation.
Figure B.17 : Principe de la recirculation interne
Page 16 sur 29
Recirculation interne des
boues
3. Mûrissement du floc
4. Zone de décantation
5. Racleur
6. Boues en excès
7. Eau traitée
8. Mélange mécanique EBboues recirculées
9. Injection de réactifs
10. Récupération des
éventuels flottants
2.
Figure B.18 : Turbocirculator
Légende :
1.
Arrivée d’eau brute
Ces appareils sont utilisés pour la clarification seule, pour la précipitation de divers sels ou de
métaux sous forme d’hydroxydes.
B.III.3
Décantation à lit de boue
Page 17 sur 29
1-
7
234567-
Distribution de
l’eau brute
suivant un flux
vertical
ascendant
Lit de boues
Eau décantée
Récupération de
l’eau décantée
Boues en excès
Fosse à boues
Extraction des
boues
Figure B.19 : Principe de la décantation à lit de boues
Légende :
La floculation et la décantation sont parfaitement intégrées : on parle de floculateursdécanteurs.
L’eau préalablement coagulée traverse suivant un flux vertical ascendant les matières floculées
en cours de décantation.
Si l’on distribue uniformément l’eau coagulée sur toute la surface du fond d’un appareil (radier
plat) les lits liquides seront parfaitement verticaux et correspondront à des vitesses
ascensionnelles identiques en tout point du lit de boues. Ce lit présente alors une certaine
cohésion qui le rend apte à supporter des vitesses ascensionnelles supérieures à celles
qu’accepterait un floc isolé. Cette cohésion explique l’élasticité du lit de boue, qui va se
comporter tel un ressort.
Le lit va tendre à se contracter sous l’action de la pesanteur (décantation des particules)
Le lit va s’étirer plus ou moins sous l’action du flux ascensionnel de l’eau.
Attention : Si la vitesse ascensionnelle est trop élevée, la vitesse de décantation n’est plus
suffisante pour assurer une sédimentation de l’ensemble. Le ressort se casse et du floc diffus
est entraîné avec l’eau.
Décanteur ultrapulsator (vitesses ascensionnelles : 9 à 12 m/h)
Page 18 sur 29
Photo B.5 : Tuyaux perforés (vue de dessus)
1234567-
Arrivée d’eau brute
Chambre à vide
Ventilateur
Vanne de mise à l’air libre
Canal de distribution de l’eau brute
Tuyauterie perforée de répartition
d’eau brute
Plaques de décantation
Figure B.20 : Coupe de l’ultrapulsator
Concentrateur de boues
Tuyauterie d’extraction des boues
Vannes d’extraction des boues
Tuyauterie perforée de reprise d’eau
décantée
12- Lamelles de décantation
891011-
Figure B.21 : Principe de l’ultrapulsator
Page 19 sur 29
L’ouvrage est constitué par un bassin à fond plat, muni à sa base par un réseau de tuyaux
perforés, surmontés de tranquilisateurs permettant d’introduire l’eau brute uniformément sur
toute sa surface. Assure le maintien d’un flux identique en tous points du lit de boues et évite
tous risques de zone morte.
En partie supérieure un autre réseau de tuyaux perforés assure une reprise uniforme de l’eau
décantée.
Pulsator = alimentation discontinue du collecteur inférieur.
L’eau est introduite avec un fort débit pendant un court instant, suivi d’une période de repos à
faible débit. On constate que la masse de boues se maintien en suspension homogène. La boue se
trouve entraînée vers le haut pendant l’introduction de l’eau. L’énergie dissipée engendre des
turbulences qui dissocient les agrégats naissants. Pendant la période de repos, elle décante d’une
manière régulière.
L’eau est introduite par l’intermédiaire d’une cloche en haut de laquelle on crée une dépression.
Dans ces conditions, le niveau de l’eau brute monte progressivement dans la cloche. Lorsque le
niveau atteint une valeur comprise entre 0,6 et 1,0 m au-dessus du niveau de l’eau dans le
décanteur, un relais électrique commande l’ouverture d’une vanne casse vide (mise en
communication avec l’atmosphère). L’eau pénètre alors dans le décanteur avec une grande vitesse.
Temps de remplissage de la cloche : 30 à 40 sec
Temps de chasse : 7 à 15 sec
Pour maintenir constant le niveau du lit de boue, une zone latérale du décanteur est réservée
pour former les fosses à fond incliné dans lesquelles la boue en excès peut se déverser et se
concentrer. Purge intermittente.
Figure B.22 : Applications possibles
Performance

Turbidité inférieure à 1-2 NTU

Capacité à traiter une eau brute avec très forte turbudité (0 à 2000 NTU)

Jusqu’à 60% d’enlèvement de COT (carbone organique total)

Faible consommation d’énergie

Aucune pièce mobile immergée

Floculation/clarification intégrées en une unité
Page 20 sur 29
B.IV Décantation à flocs lestés
12-
3456-
78Figure B.23 : principe de la décantation à flocs lestés
9-
Arrivée d’eau brute
Injection de réactifs
(coagulant,
complément de
microsable)
Floculateur
Décanteur
Pompage boues +
microsable
Hydrocyclone
(séparation bouesmicrosable)
Récupération des
boues
Réutilisation du
microsable pour
formation du floc
lesté
Polymère
Légende :
De la loi de Stokes, il
ressort que la décantation
des
particules
sera
d'autant plus rapide que
celles-ci
seront
plus
lourdes.
L'idée
est
d'alourdir
considérablement le floc
en le fixant sur des grains
de
microsable
(granulométrie
comprise
entre 10 et 100 µm)
ajoutés à l'eau brute dans
une proportion importante.
Figure B.24 : Actiflo, OTV
http://www.veoliawaterst.com/processes/lib//pdfs/329Fg1Mc7Cvmtc6hlt695C8U.pdf
Utilisations :




clarification des eaux de surface,
production d'eaux de process,
traitement des eaux usées,
décantation des eaux pluviales.
Il est depuis longtemps
admis que la présence de
cette charge granulaire
modifie complètement le
processus
de
coagulation/floculation.
Au lieu d'assister à la
formation de flocs qui
grossissent en 15 ou 20
minutes pour atteindre la
taille de 1 à 2 mm et se
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déposer lentement, on voit la masse de microsable traverser très
rapidement l'eau en entraînant au passage toutes les matières en
suspension et les matières colloïdales. Il se forme un amalgame sable +
floc.
Chaque grain de sable devient lui même un floc. La fixation des flocs sur
les grains nécessite l'utilisation d'un liant intermédiaire (polymère). Le
microsable ainsi activé possède un double effet :


il agit comme un lest des matières coagulées, accélérant
considérablement leur décantation,
il joue également un rôle d'initiateur de coagulation, les
matières coagulées s'agglutinant autour de chaque grain de
sable.
Environ 3 minutes suffisent pour obtenir un dépôt de microsable auquel
s'est aggloméré l'hydroxyde d'aluminium (ou de fer selon le coagulant
utilisé) lui-même lié aux matières à éliminer à l'eau.
Enfin, les grains de microsable présentent une grande surface développée
et offrent ainsi une zone importante de réactivité qui permet de
surmonter les difficultés de floculation rencontrées avec les eaux froides
ou
polluée
Page 22 sur 29
C. LA FLOTTATION
Par opposition à la décantation, la flottation est un procédé de séparation solide-liquide qui
s’applique à des agrégats dont la masse volumique est inférieure à celle du liquide qui les contient.
Ces agrégats étant recueillis sous forme d’écumes (boues flottées) à la surface supérieure de
l’appareil.
C.I
C.I.1
Les différentes flottations
Flottation naturelle
Si la différence entre la masse volumique des agrégats et l’eau est naturellement suffisante pour
une séparation.
C.I.2 Flottation assistée
Lorsqu’elle met en œuvre des moyens extérieurs pour améliorer la séparation des particules
naturellement flottables.
C.I.3 Flottation provoquée
Photo C.1 : Raclage des boues flottées
Figure C.1 : AQUADAF
Lorsque la masse volumique de la particule, à l’origine supérieure à celle du liquide, est
artificiellement réduite pour provoquer sa flottation.
Elle tire partie de l’aptitude qu’ont certaines particules solides à s’unir à des bulles de gaz (de
l’air en général) pour former des attelages (particules-gaz) moins dense que le liquide dont elles
constituent la phase dispersée.
Moyennes bulles
Fines bulles
2 à 4 mm
Centaines de µm à 1 mm
 FLOTTATION ASSISTEE PAR L’AIR SANS
REACTIFS
 FLOTTATION ASSISTEE OU PROVOQUEE PAR
L’AIR ET PAR DES REACTIFS (FLOTTATION
MECANIQUE OU MOUSSAGE)
Figure C.2 : les 3 catégories de bulles
Microbulles
40 à 70 µm
FLOTTATION
PROVOQUEE :
FLOTTATION A AIR
DISSOUS (FAD ou DAF :
Dissolved Air Flottation)
Page 23 sur 29
C.II
la flottation provoquée : Flottation par microbulles (FAD)
C.II.1
Relation entre dimension et vitesse des bulles
La vitesse ascensionnelle d’une microbulle de gaz dans l’eau, en régime laminaire, est donnée par
la loi de Stokes :
va 
gd 2 (  l   g )
18
Attention : Lorsque le diamètre de la bulle croît, la
vitesse ascensionnelle de celle-ci augmente et le
régime cesse d’être laminaire. Il devient turbulent,
et la formule ci-contre n’est plus valable
C.II.2 Vitesse ascensionnelle de l’attelage particules - bulles
 On injecte des bulles de gaz au sein de la masse liquide. Ces dernières viennent s’unir aux
particules pour former un attelage de densité inférieure à celle du liquide
 L’équation de Stokes est toujours valable si :
o d = diamètre de l’attelage
o on prend en compte la masse volumique de l’attelage (dépendant du rapport
volume d’air/volume de l’attelage)
o on prend en compte le facteur de forme ou de sphéricité de l’ensemble ψ (volume
de la sphère de même surface/volume du grain. Ex : sable a un facteur de sphéricité égal à 2)
C.II.3 considération sur la taille des bulles

Pourquoi utiliser des microbulles ?
Pour un débit donné de gaz :
 on augmente la concentration des bulles, ainsi on augmente la probabilité de rencontres
entre les particules et les bulles de gaz.
 La faible vitesse ascensionnelle des microbulles par rapport à la masse du fluide permet
la bonne adhérence des microbulles sur les particules fragiles que sont les flocs.
C.II.4 Volume minimal de gaz nécessaire pour assurer la flottation d’une particule de
volume Vp
Vgaz
V particules

 particules   liquide
 liquide   gaz
Cette relation vient de la condition de flottation suivante : ρattelage < ρliquide
C.II.5 Importance de la qualité du floc
Les microbulles étant 10 à 100 fois plus grosses que les colloïdes, l’accrochage des microbulles
est négligeable et leur coagulation floculation constitue une étape essentielle à leur flottation.
La zone de mélange microbulles/flocs est turbulente, ce qui impose des flocs suffisamment des
flocs suffisamment résistants aux forces de cisaillement.
C.II.6 Production de microbulles
Page 24 sur 29
a.
Production des microbulles par pressurisation
Il s’agit de la technique la plus répandue. Les bulles sont obtenues par détente d’une solution
enrichie en air dissous sous une pression de quelques bars. Il existe deux types de
pressurisation :
 Directe
 Indirecte (AQUADAF, SEADAF et GREENDAF)
Figure C.3 : Solubilité de l’air dans l’eau à 20°C en
fonction de la pression absolue
Figure C.5 : SEADAF (technologie Degrémont)
Figure C.4 : Principes de base de la pressurisation
directe et indirecte
Figure C.6 : GREENDAF (technologie Degrémont)
PRESSURISATION INDIRECTE
Clarification des eaux de mer avant
Déphosphatation des eaux usées
dessalement
i. Dans le traitement de clarification d’eau de surface (Figures C.1 et
C.5) ou d’ERI (Figure C.6), la pressurisation est indirecte. En effet le
débit d’eau pressurisé est une fraction du débit d’eau traitée (environ
10 à 50 % du débit à traiter).
La pression appliquée est comprise entre 3 et 6 bars. En pratique on réalise une dissolution d’air
à un taux d’environ 70 à 95 % de la saturation à la pression considérée.
ii. Dans le cas de l’épaississement de boue la pressurisation se fait de
façon directe ou indirecte et la consommation d’air est beaucoup plus
élevée.

pressurisation directe
Dans ce cas le débit massique de l’air entrant dans le bassin de flottation est donné par la
relation :
Wi=QCi
Page 25 sur 29
Ci : concentration de l’air dans l’eau.
Le débit d’air qui quitte le bassin est donné par la relation
Wf=QCf
On en déduit le débit d’air consommé par la flottation
Wair=QCi-QCf
Q étant le débit de la solution enrichie
D’après Henry : Ci=PCf
P est exprimé en atmosphère
D’où par combinaison : Wair = QCf(P-1)
Comme la saturation complète du liquide est rarement totale dans le bassin de rétention, un
facteur de correction f est appliqué à la pression.
Wair = QCf(fP-1)
Le débit massique des boues à l’entrée du bassin
WMES=QX0
Cf
Wair

( fP  1)
WMES X 0

pressurisation indirecte
Taux de recirculation R=
Débit
Débit
Débit
Débit
Débit
QR
Q
massique de l’air
massique de l’air
massique de l’air
massique de l’air
massique de l’air
contenu dans l’effluent recyclé : W’ = QrCr
dans l’influent brut : W’’ = QCi
à l’entrée du flottateur : W’’ + W’ = QrCr + QCi
en sortie de flottateur : W‘‘‘ = (Q+Qr) Cf
consommé : Wcons= QrCr + QCi-(Q+Qr) Cf
Wcons= RQCr + QCi-(Q+RQ) Cf
Wcons= Q(RCr + Ci-Cf-RCf)
Débit massique en MESentrant : WMES=QXo
RC r  Ci  C f  RC f
w AIR

WMES
Xo
Ci, Cf = concentration faible
Cr = concentration élevée
Approximation : Ci=Cf
Donc
RC r  RC f
R(C r  C f )
wAIR


WMES
Xo
Xo
Cr=PCf
Page 26 sur 29
D’où :
R(C r  C f ) RC f ( P  1)
w AIR


WMES
Xo
Xo
P est exprimé en atmosphère ou en bar
Plus le rapport :
W Air
est grand, plus la force ascensionnelle est élevée.
WMES
La vitesse de l’eau ne sera en aucun cas supérieure à la vitesse ascensionnelle des bulles. La
vitesse ascensionnelle des bulles varie en fonction de leur diamètre. Plus les bulles seront fines,
plus l’accrochage sera meilleur. Plus elles seront grosses, plus elles monteront vite. Il faut donc
chercher un compromis entre l’efficacité de la flottation et la vitesse de flottation.
Pour les eaux résiduaires, il n’est pas possible de flotter toutes les MES. Les plus lourdes
décanteront et seront récupérées par un racleur de fond.
b.
Electroflottation : Electrolyse de l’eau
Il s’agit de la production de bulles (H2 et O2) par électrolyse de l’eau au moyen d’électrodes
appropriées.
L'électrolyse peut être utilisée pour décomposer l'eau (H2O) en dihydrogène (H2) et en
dioxygène (O2).
Réactions :

Oxydation à l'anode (reliée au pôle + du générateur) : 2H20(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4 e-

Réduction à la cathode (reliée au pôle - du générateur) : 4H20(l) + 4 e- → 2H2(g) + 40H-(aq)

Globalement, nous avons :
2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)
Les anodes sont très sensibles à la corrosion, et les cathodes sont très sensibles à l’entartrage.
Page 27 sur 29
C.III la flottation assistée
C.III.1
Flottation à l’air sans réactif
Il s’agit d’une flottation naturelle favorisée par l’insufflation d’air au sein de la masse liquide (air
dispersé au travers d’un corps poreux ou d’un diffuseur). Ce procédé concerne la séparation de
graisses dispersées.
L’air est insufflé par des diffuseurs moyennes bulles provoquant une turbulence de façon à
séparer les particules lourdes (minérales ou organiques), agglomérées avec les graisses.
C.III.2
Flottation mécanique ou moussage
En traitement d’eaux huileuses, la séparation des huiles par flottation mécanique est appelée :
« moussage ». Cette séparation est obtenue par l’addition de coagulant organique ou d’agent
désémulsifiant. Assure la séparation efficace de l’eau et l’huile.
Emulsion = mélange hétérogène de deux substances liquides non miscibles
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Cours C. Le Carluer

1 1 - Le dégrillage 2 - Le dessablage-dégraissage 3 - Le t

Examen de janvier 2014

Un enseignement expérimental de la relativité et de la physique des

J2788

2 - Kreabel meubles belges