Technologie SECONDE BAC PRO TRAITEMENTS DES EAUX USÉES Ce chapitre aborde une catégorie d’opérations unitaires employée dans toutes les industries de procédés : les opérations de SEPARATION. La séparation fait appel à des techniques très diverses selon la nature du produit à traiter et la nature des éléments à séparer (solides, liquides +/- visqueux, gazeux …). Nous allons étudier le traitement des eaux usées qui fait appel à grand nombres de techniques de séparation. 1 1. INTRODUCTION Les eaux d’égout qui entrent dans une station d’épuration contiennent de très nombreuses impuretés provenant : de nos maisons (toilettes, cuisine, salle de bain …) des lieux de travail (garage, usines, restaurants …) des eaux de pluie et de ruissellement (goudron des routes, engrais des champs …) COMMENT ELIMINER CES IMPURETES ? 2. COMMENT FONCTIONNE UNE STATION D’ÉPURATION ? Station d’épuration vue d’avion Toute l'eau utilisée à la maison ou dans une entreprise industrielle est collectée dans le réseau d'égouts sous forme d'eaux usées. Le but de l'épuration de l'eau est donc de traiter suffisamment les eaux usées (sales) pour que leur rejet dans les cours d'eau ou dans la mer ne dégrade pas ces milieux naturels. Attention : l’eau sortant de la station est une eau propre, ce qui ne signifie pas qu’elle soit potable ! Lycée Nicolas Louis Vauquelin Technologie SECONDE BAC PRO Les industries de procédé qui produisent des déchets souvent très polluants (peinture, papèterie, pharmacie, chimie …) ont obligation de traiter leurs eaux usées avant de les envoyer à l’égout, et possèdent donc leur propre station d‘épuration. Ne pas oublier que le réseau d’égouts qui comprend des milliers de kilomètres de tuyaux et de galeries souterraines, collecte aussi les eaux de pluie qui se chargent de polluants en ruisselant sur les toits et les rues (traces d’huiles de moteur, de carburant ou de métaux lourds, restes de pneus...). Description du procédé 2 1. Comme les eaux usées sont chargées de déchets, il faut souvent les aider à bien s’écouler dans les canalisations. De plus l’écoulement entre chaque étape se faisant par gravité, les eaux usées entrantes sont montées au point le plus haut de la station.. On dit qu’elles sont « relevées », à l’aide d’une vis d’Archimède ou de pompes. 2. Le dégrillage : l’eau passe à travers un système de grilles qui la débarrasse des ses plus gros déchets et des objets flottants (branches, sacs ou bouteilles plastique …) 3. Le dessablage et le déshuilage : l’eau contient encore du sable, de la terre en suspension. Il va se déposer au fonds d’un bassin par gravité.. Quant aux huiles, elles flottent à la surface d’où elles sont enlevées. 4. La sédimentation : les matières les plus fines qui restent encore en suspension dans l’eau vont à leur tour tomber au fond du bassin grâce à l’action de produits chimiques qui vont les faire se regrouper et donc former de gros « flocons » plus lourds. 5. Le bassin d’aération aération : il faut maintenant détruire les matières organiques dissoutes dans l’eau. Pour cela, on utilise des bactéries ctéries spécialement cultivées dans un bassin. Elles « digèrent » la pollution en la transformant en boue « biologique ». 6. La clarification (= 2de sédimentation) : la boue « biologique » se dépose alors au fond d’un bassin.. A cette étape, l’eau est enfin dépolluée.. Elle peut maintenant être rejetée dans la nature. Lycée Nicolas Louis Vauquelin Technologie SECONDE BAC PRO 3 Une partie des boues récupérées est recyclée pour ensemencer le bassin d’aération. Les boues restantes peuvent êtres concentrées (« épaissies ») puis épandues en plein champ. 3. TECHNOLOGIE DES OPÉRATIONS UNITAIRES Dégrillage Dégrilleur courbé Panier de dégrillage PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES D’UN DÉGRILLEUR Dimensions / écartement entre barreaux / forme des grilles (planes ou courbes) / système de récupération des déchets par l’aval ou l’amont EXEMPLE Modèle : vertical à nettoyage par l'aval Espacement entre les barres : 12 mm Débit moyen : 0,64 m³/s Hauteur : 3,3 m Largeur : 1,2 m Lycée Nicolas Louis Vauquelin Technologie SECONDE BAC PRO PRINCIPE DU DÉGRILLAGE (COMMENT ÇA MARCHE ?) Les barreaux de la grille, plus ou moins espacés, retiennent les gros déchets solides (papiers, bois, plastiques, chiffons ...). Régulièrement les déchets retenus par les grilles sont retirés au moyen d'un peigne motorisé et automatisé à déplacement vertical, verti dont le cycle est contrôlé par une minuterie et un système de détection de perte de charge. Les déchets de grilles sont ensuite asséchés dans un compacteur à vis qui en réduit le volume de 60%. Décantation En génie chimique, le mot « décantation » signifie « séparation entre 2 liquides non miscibles ». = SÉPARATION LIQUIDE/LIQUIDE LIQ Exemple : quand l’huile se sépare du vinaigre dans une vinaigrette. ? Préciser quel liquide montera en surface dans le cas de la vinaigrette, et pourquoi ? : Dans le traitement des eaux usées, c'est l'étape de "déshuilage" dégraissage qui correspond réellement à la décantation. dégraissage" Dans certains domaines professionnels comme le traitement des eaux, le terme « décantation » est utilisé à tort pour désigner une séparation Solide/Liquide qui est en fait une sédimentation, et les bassins dans lesquels les particules solides sédimentent sont appelés « décanteurs ». Sédimentation PRINCIPEE DE LA SÉDIMENTATION SÉDIMENTATIO La sédimentation est une séparation Solide/Liquide. Eau boueuse 1 heure après Lycée Nicolas Louis Vauquelin 4 Technologie SECONDE BAC PRO Dans le traitement des eaux usées, elle permet de séparer l'eau des grosses particules comme le sable,, mais aussi des fines matières en suspension (M.E.S.) qu'elle contient, et qui vont se déposer par simple gravité au fond des bassins en formant les « boues » (recueillies ensuite par pompage de fond). La vitesse de dépôt des particules est appelée "vitesse " de sédimentation" sédimentation vs, et cette vitesse dépend essentiellement de la masse des particules et de leur grosseur : les grosses particules sédimentent rapidement ; les plus fines par contre peuvent rester en suspension très longtemps, longtemps et nous verrons plus loin comment accélérer l’opération. APPAREILS ET INSTALLATION Rappel : le jargon du traitement des eaux appelle « décanteur » des appareils qui réalisent en fait une sédimentation. « Décanteurs » STATIQUES Le débit de l’eau dans ce décanteur (combien de m3 par heure ?) doit laisser le temps à la suspension de décharger ses particules dans le bassin. Si le débit est trop grand, la sédimentation sera incomplète. Il faut donc une surface de bassin importante car la vitesse de sédimentation est généralement faible. Certains "décanteurs" sont appelés épaississeurs car ils permettent d'augmenter la concentration des boues collectées. L'alimentation peut se faire par le bas ou par le haut. « Décantateurs » LAMELLAIRES Ce système agit sur la trajectoire des particules pour séparer en continu des particules de taille et de masse volumique différentes. Cela améliore considérablement la vitesse de sédimentation et permet de réduire le volume nécessaire à la décantation (appareils plus compacts). Lycée Nicolas Louis Vauquelin 5 Technologie SECONDE BAC PRO 1 - Arrivée d'eau à décanter 6 - Modules lamellaires 2 - Injection des réactifs 7 - Tubes de reprise d'eau décantée 3 - Zone de mélange rapide 8 - Sortie d'eau décantée 4 - Zone de coagulation/floculation 9 - Système de reprise des boues 5 - Admission en décantation 10- Évacuation des boues « Décantateurs » CENTRIFUGES Ces "décanteurs"" utilisent donc la force centrifuge pour accélérer la séparation (voir le chapitre « centrifugation »). Ils sont encore plus compacts, mais ne permettent pas de traiter des volumes aussi importants que les précédents. Schéma en coupe d’un décanteur centrifuge Flottweg Autre exemple d’utilisation : la séparation du jus et des pulpes de fruits après broyage PARAMÈTRES DE LA SÉDIMENTATION: C’est la vitesse de sédimentation, sédimentation qu'on cherche bien sûr à augmenter, augmenter mais elle dépend de nombreux paramètres. en général: diamètre des particules ; densité ou masse volumique des particules ; différence de densité densit entre le liquide et le solide ; viscosité du liquide. en continu: débit d'alimentation de la suspension ; volume de la cuve ; « temps de séjour » d'une particule dans la cuve. Lycée Nicolas Louis Vauquelin 6 Technologie SECONDE BAC PRO Coagulation - Floculation DE QUOI S’AGIT-IL ? De très nombreuses particules dans l’eau sont si fines (< 0,2 µm) qu’elles ne peuvent pas sédimenter (on parle de particules « colloïdales »). De plus ces particules présentent souvent une charge électrique négative qui fait qu’elles se repoussent et ne peuvent donc pas se regrouper. On injecte d’abord dans l'eau un coagulant (réactif chimique) qui va permettre le rapprochement des particules colloïdales. Les coagulants utilisés sont généralement des sels de fer ou d'aluminium (Fe3+ et Al3+) qui se lient aux particules colloïdales et neutralisent leur charge électrique. Plus rien ne s’oppose alors à leur rapprochement. On injecte ensuite dans l'eau un floculant (autre réactif chimique) qui fait que ces particules très fines se collent les unes aux autres et forment des amas plus lourds appelés «flocs» : c'est la floculation. QUELS SONT LES PARAMÈTRES DE L’OPÉRATION ? Le résultat de l’opération dépend essentiellement de 2 paramètres : les quantités de réactifs injectées ; la vitesse d’agitation. Le Jar- test Or aucune règle ne permet de déterminer ces valeurs à l’avance. Seuls des essais avec un appareil appelé « Jar-test » permettent, pour une eau usée donnée, de fixer les quantités optimales de réactifs à utiliser, ainsi que les conditions d’agitation correspondantes. Une forte agitation favorise le contact particules / coagulant, mais « casse » les flocs formés ! Il faut donc trouver le bon compromis, le but étant d’obtenir les « flocs » les plus gros, et l’eau a plus limpide. Lycée Nicolas Louis Vauquelin 7 Technologie SECONDE BAC PRO Flottation DE QUOI S’AGIT-IL ? Pour accélérer la remontée des particules et des gouttelettes les plus fines ainsi que des "matières " flottantes"" (fibres, fragments végétaux …). Elle intervient en général après la coagulationcoagulation floculation. 8 COMMENT ? En créant un courant de microbulles microbull d'air qui vont enrober et entraîner les matières les plus fines en remontant à la surface. Ces bulles d'air sont souvent créées au centre et au fond du bassin ou de la cuve. Dans d'autres domaines que le traitement des eaux on peut ajouter certains réactifs chimiques comme des produits moussants pour améliorer la séparation. EXEMPLES DE FLOTTATEURS ? Les appareils diffèrent surtout par la méthode utilisée pour créer le courant courant de bulles d'air : envoi d'air sous pression par le bas, ou forte agitation mécanique aspirant l'air au-dessus au du liquide. Lycée Nicolas Louis Vauquelin Technologie SECONDE BAC PRO Flottateur à air dissous cylindrique 9 Les microbulles en remontant à la surface entraînent dans ce mouvement les particules qui sont ensuite écrémées par un racleur de surface, puis retirées des eaux à traiter. Ce procédé est particulièrement adapté aux eaux polluées par des hydrocarbures ou des graisses,, végétales ou animales. L'industrie pétrolière utilise principalement ce procédé pour séparer le pétrole de l'eau lors de l'extraction du brut. 4. RÉSULTAT DE CES DIFFÉRENTS TRAITEMENTS TR Lycée Nicolas Louis Vauquelin
