chapitre 3 -coagulation - floculation
DESCRIPTION
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Chapitre 3
La coagulation, la La coagulation, la
floculation et lagitation
GCI 720 - Conception : usine de traitement des eaux potablesAutomne 2011
1 Hubert Cabana, 2011
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Hubert Cabana, 2011 2
AWWA, 1990
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Contenu
Dfinitions limination des substances/particules prsentes dans leau
Les collodes et les MES Les substances dissoutes
Coagulation Dstabilisation des charges; Prcipitation des substances dissoutes
Agitation des coagulants nergie fournie; Temps de sjour / volume des bassins, Gomtrie des bassins
Floculation Stockage des coagulants / floculants
Hubert Cabana, 2011 3
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Processus permettant
llimination .
Turbidit et MES
Couleur
Duret
Hubert Cabana, 2011 4
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Hubert Cabana, 2011 5
Degrmont, 2005
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Pour illustrer
13 ssable fin100 m1 ssable grossier1 mm0,1 sgravier10 mm
Temps de sdimentation (h = 10 cm, relative= 2,65)
Dimension approximative de
Rayon quivalent
6
solution< 1nm
20 annescollodes1nmcollodes10 nm
80 jourscollodes100 nmbactries1 m
11 minsdiments10 m13 ssable fin100 m
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Quid des petites particules???
7 Hubert Cabana, 2011
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Processus de coagulation/floculation permet dliminer ces lments
Procds physico-chimiques permettant llimination de particules en suspension de trs petit diamtre (collodes)
Temps de sdimentation infini Temps de sdimentation infini Colmatage des filtres
Permet la formation de flocs de grande taille pouvant sdiments et/ou tre filtrs
Hubert Cabana, 2011 8
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Particulirement
Coagulation : Reprsente lensemble des mcanismes de dstabilisation
dune dispersion collodale menant lagglomration de ces particules sous forme de micro-flocs + mcanismes de prcipitation des substances dissoutes;
9
prcipitation des substances dissoutes;
Floculation : Reprsente lensemble des mcanismes de transport des
particules dstabilises menant la collision et lagrgation de ces dernires
Hubert Cabana, 2011
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Collodes
Reprsente les particules ayant un diamtre variant entre 10-8 et 10-5 m
Particule microscopiques et submicroscopiques Origines varies
10
substances minrales / vgtales virus biopolymres bactries
Hubert Cabana, 2011
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Proprits des collodes
Comportement hydrophile / hydrophobe Forment une dispersion stable
capacit des particules rester en solution sous forme dentits distinctes
11
dentits distinctes Cette stabilit est due :
la prsence de charges la surface de la particule hydratation de la surface par des molcules deau
Hubert Cabana, 2011
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Reprsentation
Solution
Surface de cisaillement
12
Adapte de www.aquazet.com
Surface de cisaillementParticulelectrongative
Coucherigide
Collode
Hubert Cabana, 2011
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Potentiel lectrostatique
13
Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996. Hubert Cabana, 2011
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Potentiel lectrostatique
14
Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996. Hubert Cabana, 2011
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Forces de rpulsion
La rpulsion est due aux forces lectrostatiques Ces forces sont mesures par le potentiel zta
qdpi 4=
15
Dqdpi 4=
liquidedu uedilectriq constante charges degradient un ay il laquelle dans couche la depaisseur
surface de unitpar charges de nb zeta potentiel
=
=
=
=
Ddq
Hubert Cabana, 2011
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Coagulation
Le processus de coagulation repose sur la dstabilisation des particules, i.e. favoriser lattraction entre les collodes
16 Alimentation
Ajout de coagulant
Rpulsion
Attraction
Coagulant
Hubert Cabana, 2011
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Dstabilisation des collodes
Se fait par lajout de coagulants qui :
Compressent la couche double Neutralisent les charges de surface
Pigent le collode dans un prcipit
17
Pigent le collode dans un prcipit Favorisent le pontage intra-particulaire
Dans la pratique, les coagulants utiliss combinent ces diffrentes approches
Hubert Cabana, 2011
-
Hubert Cabana, 2011 18Qasim et al., 2000
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Coagulants utiliss
Sels mtalliques Sulfate daluminium (Al2(SO4)3).14H20 (Alun) Sulfate ferreux (FeSO4) Sulfate ferrique (Fe2(SO4)3)
19
Sulfate ferrique (Fe2(SO4)3) Chlorure ferrique (FeCl3)
Polylectrolytes Synthtiques Naturels
Hubert Cabana, 2011
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Actions des ions mtalliques
hydrolyss
Adsorption par la particule ET neutralisation de charges
Adsorption ET pontage interparticulaire
20
Adsorption ET pontage interparticulaire
Pigeage dans des flocs
Hubert Cabana, 2011
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Prcipitation des solides
dissouts
Certains ions sont limins des eaux par prcipitation :
Carbonates (alcalinit); Carbonates (alcalinit); Fer; Calcium; Manganse et Magnsium.
Hubert Cabana, 2011 21
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Le produit de solubilit
]][[ ++
=
+
XMKXMMX
sp
Hubert Cabana, 2011 22
]][[= XMK sp Si [M+][X-] est < Ksp la solution est sous-sature (donc, il ny a pas de solides qui prcipitent ) Si [M+][X-] est > Ksp la solution est sur-sature (donc, il y a des solides qui prcipitent )
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Quelques illustrations
Sulfate ferrique limination de lalcalinit24323342 63)()(2)(3)( COCaSOsOHFeHCOCaSOFe +++
1 mg de sulfate ferrique consomme 0.75 mg dalcalinit et gnre 0.54 mg de boues sous forme dhydroxyde de fer.
Chlorure ferrique limination de lalcalinit
Hubert Cabana, 2011 23
de boues sous forme dhydroxyde de fer.
223233 63)()(2)(32 COCaClsOHFeHCOCaFeCl +++1 mg de chlorure ferrique consomme 0.92 mg dalcalinit et gnre 0.66 mg de boues sous forme dhydroxyde de fer.
-
Quelques illustrations
Alun limination de lalcalinitOHCOCaSOsOHAlHCOCaOHSOAl 2243232342 1463)()(2)(314)( ++++
1 mg dAlun consomme 0.51 mg dalcalinit et gnre 0.26 mg de boues sous forme dhydroxyde de fer.
Hubert Cabana, 2011 24
sous forme dhydroxyde de fer.
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Optimisation de la coagulation : en
pratique
Jar tests (essais de coagulation/floculation) Procdure exprimentale simulant la
coagulation/floculation qui permet de dterminer les conditions optimales de coagulation (pH, [coagulant])
25
Dtermination du pH optimal (pour 1 coagulant donn) Remplir les bchers avec leau traiter Ajuster le pH de chaque bcher une valeur prdtermine ( eg. pH: 5.0; 5.5; 6.0; 6.5; 7.0; 7.5) Ajouter la mme concentration de coagulant dans chaque bcher
Hubert Cabana, 2011
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Jar tests (suite)
Agitation intense (100-150 rpm) pendant 1 minute Rduction de lagitation 25-30 rpm pendant 15-20
minutesCette agitation favorise la formation de floc (floculation)
26
Arrt de lagitation Sdimentation des flocs de 30-45 minutes Mesure de la turbidit rsiduelle dans chaque bcher
Hubert Cabana, 2011
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pH optimal: 6.3pH optimal: 6.3pH optimal: 6.3pH optimal: 6.3
Turbidit rsiduelle vs pH
Le pH optimal correspond celui
permettant dobtenir la turbidit minimale
la fin du test
27 Hubert Cabana, 2011
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Rpter les tapes prcdentes, mais :
Ajuster le pH de la solution au pH optimal (eg. 6.3)
Dtermination de la [coagulant] Dtermination de la [coagulant] Dtermination de la [coagulant] Dtermination de la [coagulant]
optimaleoptimaleoptimaleoptimale
28
au pH optimal (eg. 6.3) Tester diffrentes concentrations de coagulant (eg. 5; 7; 10; 12; 15; 20 mg l-1)
Hubert Cabana, 2011
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[coagulant]optimale: 12.5 mg/L
Dtermination de la [coagulant]optimale
29
[coagulant] (mg l-1)
Dans la majorit des cas, lalun est utilis comme coagulant une concentration moyenne de 16 mg Al / l
Hubert Cabana, 2011
PC1
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Diapositive 29
PC1 Titre ?Pierre Cabana; 08/10/2007
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Jar tests
30 Bratby, J., 2006 Hubert Cabana, 2011
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Impact du pH
31 Metcalf & Eddy inc., 2003. Hubert Cabana, 2011
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Choix et dosage du coagulant
Chaque eau doit tre teste individuellement; Choix du coagulant se fait selon des
considrations : conomiques (cot, quantit de boue gnre, cot de conomiques (cot, quantit de boue gnre, cot de
valorisation des boues, etc.); Scurit; Capacits dentreposages
Hubert Cabana, 2011 32
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Hubert Cabana, 2011 33
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Pour sassurer une dstabilisation
adquate
Il est impratif de disperser rapidement le coagulant de faon : liminer les ractions entre les espces responsables de
la coagulation Uniformiser le coagulant
34
Uniformiser le coagulant Fournir lnergie ncessaire au pontage interparticulaire
Ncessite un mlange court et intense
Hubert Cabana, 2011
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Mlange rapide Mlangeurs
mcaniques
35Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996 Hubert Cabana, 2011
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Mlange rapide Mlangeurs
mcaniques
Avantages
Agitation indpendante du dbit;
Inconvnients
quipements additionnels ncessaires (moteur, hlices, etc.);
Agitation ajustable;
Opration flexible.
hlices, etc.);
Fiabilit du processus dpend de la fiabilit des quipements.
36 Hubert Cabana, 2011
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Hubert Cabana, 2011 37
AWWA, 1990
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Types dagitateurs utiliss
Hubert Cabana, 2011 38Qasim et al., 2000
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Hubert Cabana, 2011 39
Qasim et al., 2000
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Autres types dagitateurs : les
agitateurs en ligne
Les mlangeurs buse;
Les mlangeurs mcaniques en ligne;
Les mlangeurs statiques;
Les mlangeurs hydrauliques.
Hubert Cabana, 2011 40
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Les mlangeurs buse
Hubert Cabana, 2011 41AWWA, 1990
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Mlangeur utilisant la force de
pompage
Hubert Cabana, 2011 42AWWA, 1990
-
Les mlangeurs mcaniques en
ligne
Hubert Cabana, 2011 43AWWA, 1990
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Mlangeurs statiques
Hubert Cabana, 2011 44
http://www.northlandengineering.net/
http://www.youtube.com/watch?v=N9cM64wylM0&NR=1
http://ndep.nv.gov/bffwp/images\cc_static_mixer.jpg
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Mlangeurs hydrauliques
Peut utiliser la turbulence gnre par diffrents types de dversoirs (ex : en V, Parshall, etc.) et autres quipements hydrauliques (ex : valves) pour mlanger le coagulant. Perte de charge ne doit pas tre trop importante (ex :
dans une valve infrieure 4 ft);
Un dversoir dont la chute est de 1 pied, peut gnrer des taux de cisaillement de 1000 s-1 20C.
Hubert Cabana, 2011 45
-
Mlangeurs hydrauliques
Hubert Cabana, 2011 46Qasim et al., 2000
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Conception des units de
coagulation
Agitation intense ; Taux de cisaillement (G-value); Puissance dissipe; Puissance fournie.
Temps de sjour;
Dimensions des bassins.
Hubert Cabana, 2011 47
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Lagitation
Doit fournir suffisamment dnergie pour disperser les coagulants utiliss.
Les raction de coagulation ont lieu rapidement; Les raction de coagulation ont lieu rapidement; Ractions de prcipitation sont plus lentes;
Utilisation du gradient de vitesse pour dterminer lefficacit de lagitation.
Hubert Cabana, 2011 48
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Gradient de vitesse
Gradient de vitesse (G) G = gradient de vitesse (s-1)
P = puissance fournie au liquide (W)PdvG ==
Hubert Cabana, 2011 49
au liquide (W) = viscosit (Ns/m2)V
Pdy
dvG
==
Le taux de collision est proportionnel GLe nombre de collisions GXt = GXV/Q
-
Puissance fournie au liquide
Connaissant le couple appliqu surlarbre de lagitateur
= nTP pi2
Hubert Cabana, 2011 50
M)(N appliqu couple T(rps) rotation de vitesse n
(W) Puissance P : o
=
=
=
-
Puissance fournie au liquide
Connaissant les caractristiques du systme dagitation (caractristiques des agitateurs)
32dnNP p= Pour coulement laminaire Re < 10
Hubert Cabana, 2011 51
53dnNPou
dnNP
p
p
=
= Re < 10
Pour coulement turbulent Re > 10 000
-
Type dcoulement
nd 2Re =
Hubert Cabana, 2011 52
O :d = diamtre des palles de lagitateur (m); = densit de leau (kg/m3); = viscosit de leau (N* s * m-2)n = vitesse dagitation (rps; s-1).
-
Nombre de puissance
Hubert Cabana, 2011 53Qasim et al., 2000
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Gradient de vitesse
Gradient de vitesse (G) pour restrictions
G = gradient de vitesse (s-1)
= viscosit (Ns/m2) =densit du liquide
==
hgdy
dvG l
Hubert Cabana, 2011 54
=densit du liquide (kg/m3)
t=temps de sjour (s) hl = perte de charge
(m).
==
tdydvG
http://www.philip-lutzak.com/weather/GRAVITY%20WAVES%20-%20GOM/GRAVITY%20WAVES%20-%20GOM%20HOME.htm
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Gradient de vitesse
100020
G (s-1)Temps de rtention (s)
Hubert Cabana, 2011 55
Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996
70050 ou plus
79040
90030
-
Impact de la temprature
et de leau = F(T)Temprature Masse
volumique (g/ml)Viscosit dynamique (cP)
5 0.9999 1.519
Hubert Cabana, 2011 56
5 0.9999 1.51910 0.9997 1.30715 0.991 1.13920 0.9982 1.002
Voir annexe A-2 pour plus de donnes
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Facteurs de correction
Correction du temps de sjour en fonction de la TTemprature Facteur de correction0 1.355 1.25
Hubert Cabana, 2011 57
10 1.1515 1.0720 125 0.9530 0.9
AWWA, 1990
-
Gomtrie du bassin de mlange
rapide
Objectif : fournir une agitation uniforme (G uniforme); viter les bassins circulaires Possibilit dutiliser des chicanes
Forme privilgie : Bassins carrs Forme privilgie : Bassins carrs
Ratio profondeur : largeur = 2:1
Typiquement des agitateurs favorisant le mouvement du fluide de faon verticale
Hubert Cabana, 2011 58
-
Gomtrie du bassin de mlange
rapide
Le volume du bassin est fonction du temps de sjour (t) choisi Fonction des essais prliminaires (type deau, type de
coagulant, etc.)
Typiquement Gt = 30 000 60 000 Typiquement : 0.2 5 minutes G : 700 1000 s-1
V=Qt
Hubert Cabana, 2011 59
-
http://www.hellopro.fr
La floculation
Hubert Cabana, 2011 60
-
Une fois que les particules sont dstabilises?
Le mouvement Brownien
61
1) Microfloculation ( ou pricintique) Phnomne important pour les particules dont le diamtre
varie entre 1 nm et 1 m
Mouvement alatoire, irrgulier, dsordonn et incessant des particules en suspension dans un fluide
Metcalf & Eddy inc., 2003.
Hubert Cabana, 2011
-
Une fois que les particules sont
dstabilises?
2) Macrofloculation (ou orthocintique)Processus dagrgation des particules dont le diamtre est > 1-2 m
62 Metcalf & Eddy inc., 2003. Hubert Cabana, 2011
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Floculation orthocintique
Influence par le gradient de vitesse dans le rservoir Lagitation favorise la prsence de gradients de vitesse
Ces gradients ne doivent pas tre ni trop faibles ni trop importants
63
importants
nergie cintique insuffisante Ruptures des flocs
Hubert Cabana, 2011
-
Ajout de floculants
Composs chimiques utiliss pour acclrer le taux de floculation dune solution de collodes dstabiliss PolylectrolytesAmlioration de la qualit des flocs forms
64
Amlioration de la qualit des flocs forms
Hubert Cabana, 2011
-
Polylectrolytes
65Droste, R.L., (1997)
Hubert Cabana, 2011
-
Action des polylectrolytes
66
Metcalf & Eddy inc., 2003. Hubert Cabana, 2011
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Agitation dans les units de
floculations
Agitation douce : G = 20 70 s-1 t = 10 30 minutes Profondeur = 3 4.5 m
Maximise le contact entre les flocs dstabiliss pour favoriser la formation de flocs pouvant facilement dcanter ou tre spars par filtration.
Uniformit du taux de cisaillement dans le bassin Grand agitateurs couvrant, bien souvent, une grande fraction
de la largeur des des bassins.
Hubert Cabana, 2011 67
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Agitation dans les units de
floculations
Compartimentation des bassins Plusieurs bassins en cascade (2-6, typiquement 3-4)
Diminution de G dun bassin lautre
Hubert Cabana, 2011 68Le transfert entre chacun des bassins se fait une vitesse de ~ 30 - 45 cm/s ( Qmax)
AWWA, 1990
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Agitation dans les units de
floculations
Lnergie transmise a une incidence sur le type de flocs produits
limination des flocs par filtration directe : High-energy floculation : G = 20-75 s-1, t = 900 1500 s et Gt = 40
000 75 000
limination des flocs par dcantation Floculation conventionnelle : G = 10-60 s-1, t = 1000 1500 s et Gt
= 30 000 60 000
Hubert Cabana, 2011 69
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Types de floculateurs
Hubert Cabana, 2011 70
Floculateur chicanes
(hydraulique) Floculateurs palettes(mcanique)
-
Types de floculateurs
Hubert Cabana, 2011 71
Kawamura, 2000
-
Floculateurs mcaniques
Ces floculateurs offrent une grande flexibilit Variation de G possible; Faible perte de charge.
Diffrents designs possibles Agitation verticale Agitation horizontale Agitation oscillante
Hubert Cabana, 2011 72
-
Floculateurs mcaniques
Hubert Cabana, 2011 73
-
Floculateurs mcaniques
Floculateurs verticaux : Bassins carrs
Largeur maximale de 6 m et profondeur variant entre 3 et 5 m;
Utiliss dans des applications o lon veut fournir plus dnergie Utiliss dans des applications o lon veut fournir plus dnergie (pour filtration directe); Vitesse maximale des palles : 3 m/s
Agitateurs utiliss Diamtre palle / diamtre quivalent du bassin (D/T) > 0.35 Vitesse max de la palle (au bout) : 1er bassin < 2.5 m/s; dernier bassin <
0.6 m/s.
Hubert Cabana, 2011 74
-
Floculateurs mcaniques
Floculateurs horizontaux
Dimensions typiques Longueur des bassins : 6-30 m Largeur des bassins : 3-5 m Profondeur largeur.
Utiliss dans des applications traditionnelles Vitesse maximale des palles : 30 75 cm/s
Hubert Cabana, 2011 75
-
Floculateurs mcaniques
Floculateurs horizontaux
Design des agitateurs Surface totale des palles dun rayon = 10 25% de laire de la
section du bassin;section du bassin; Chaque bras doit avoir minimalement 3 palles; La vitesse de chaque palle doit se situer entre 0.15 et 1 m/s; G varie dune section lautre : 55 s-1 10 s-1
Hubert Cabana, 2011 76
-
Floculateurs mcaniques
Hubert Cabana, 2011 77Kawamura, 2000
-
Puissance transmise lors de
lagitation
Il est possible de dterminer la puissance transmise leau selon les expressions prcdentes (v. diapo 56 et +);
Lorsquun agitateur palettes : Lorsquun agitateur palettes :
Hubert Cabana, 2011 78
2
3vACP D =P = puissance (W);CD = Coefficient de traine;A = aire totale des palettes (m2);v = vitesse des palles p/r la vitesse de leau (m/s)
-
Puissance transmise lors de lagitation coefficients de traines
Ratio longueur : largeur CD5 1.2
20 1.5infini 1.9
Hubert Cabana, 2011 79
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Gomtrie dun bassin de
floculation
Typiquement 3-4 section dans 1 bassin;
Chaque bassin est spar par des dversoirs;
Pour des floculateurs verticaux Typiquement bassins carrs de (LXlXh) : 6 X 6 X 3-5 m
Pour des floculateurs horizontaux Typiquement (LXl) : 3-5 X 6-30 m.
Hubert Cabana, 2011 80
-
Floculateurs hydrauliques
Utiliss dans de petites installations o le dbit est relativement constant;
Utilisation de chicanesVitesse : 21 43 cm/s Vitesse : 21 43 cm/s
G : calcul en connaissant la perte de charge lentre des bassin (v. eq. 8.25)
Hubert Cabana, 2011 81AWWA, 1990
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Floculateurs hydrauliques
Typiquement, il y a minimalement 6 canaux de crer dans les floculateurs de type around-the-end et over-and-under ;
Temps de sjour minimalement de 20 minutes Qmax; G peut est associ: G peut est associ:
Hubert Cabana, 2011 82AWWA, 1990
C4
=
t
hG
t
ghG
5.0
*178
Pour cette approximation : t, temps de rsidence (min);h, perte de charge (pied) [typiquement de 1-2 pieds].
-
Floculateurs hydrauliques
Perte de charge associe aux chicanes
gKvhtour 2
2
=
v=vitesse du fluide (m/s) K=constante empirique (dpend des conditions
dcoulement (ex : 1.7 pour 90; 3.2 pour 180))
Hubert Cabana, 2011 83
gtour 2
-
Floculateurs hydrauliques
G = 30-40 s-1;
Typiquement, la distance entre les chicanes est > 0.75 m;0.75 m;
Profondeur minimale de 1 m.
Hubert Cabana, 2011 84
-
Gomtrie dun bassin de floculation les vitesses typiquesles vitesses typiquesles vitesses typiquesles vitesses typiques
larrive : 0.45 0.9 m/s;
Dans les bassins de floculation : 0.15 0.45 m/min;
Les dversoirs sont conus pour que la vitesse soit de 0.3 0.45 m/s. Les ouvertures reprsentent de 3-6 % de la surface totale du mur;
la sortie (vers dcanteur) la vitesse doit tre de 0.15 0.45 m/s;
Hubert Cabana, 2011 85
-
Entreposage des additifs chimiques (coagulants + floculants) Hubert Cabana, 2011 86
-
Stockage et distribution des
produits chimiques
Les produits chimiques doivent tre entreposs adquatement;
Chaque produit doit tre stock dans plusieurs rservoirs et avoir un systme de distribution rservoirs et avoir un systme de distribution adquat;
Hubert Cabana, 2011 87
-
Il est impratif de prvoir suffisamment de ractifs pour une priode allant de 10-30 jours.
La consommation de ractifs est fonction de la qualit de leau brutequalit de leau brute Consommation typique, par exemple dalun, de lordre de
10 60 mg/l deau brute traiter.
Typiquement rservoirs en bton ou en PVC.
Hubert Cabana, 2011 88
-
En rsum critres de
conception
Pour mlangeur rapide t= 0.2 5 min (Qc : 1-2 min); G = 700 1000 (Qc : 300 1500) Gt = 30 000 60 000
Pour bassin de floculation Pour bassin de floculation t= 20 60 min (Qc : 30 min (si coagulant seul), 15 mi (si
coagulant + floculant) et 6 minutes (si coagulant+floculant+sable));
G = 15 60 (Qc > 10) Gt = 10 000 15 000 Vitesse moyenne des pales = 0.3-0.6 m/s Rotation de larbre = 1.5 5 RPM
Hubert Cabana, 2011 89
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Lectures et exercices suggres
Qasim, Edward et Zhu, (2000). Water Works Engineering. Planning, Design & Operation. Chapitre 8 Exercices suggrs : 8.2; 8.3 et 8.4
Hubert Cabana, 2011 90