clarification

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fonctions du clarificateur

Le bon fonctionnement d’une station d’épuration par boues activées exige de bien séparer l’eau traitée de la masse de boue activée de manière à produire un effluent clarifié conforme aux normes de rejet.

Cette séparation solide-liquide peut classiquement être réalisée par sédimentation gravitaire dans un décan­teur secondaire ou clarificateur Le clarificateur est un composant fondamental d’un système à boues activées. Il doit combiner trois fonctions :

  • fonction de clarification : produire un effluent final clarifié dont la teneur en matières en suspension est généralement inférieure à 20-30 mg · L–1, soit un rendement de séparation supérieur à 98 % ;
  • fonction d’épaississement : produire un débit continu de boue concentrée pour les recirculer dans le réacteur biologique ce qui assure le maintien de la concentration en MES de celui-ci et extraire les boues en excès ;
  • fonction de stockage : stocker la masse de boue supplémentaire générée par une surcharge hydraulique momentanée (en temps de pluie notamment).

En cas d’échec de l’une de ces trois fonctions, les matières en suspension vont s’évacuer avec l’eau de sortie avec comme double conséquence la détérioration de la qualité de l’eau traitée en MES, mais aussi en DCO, DBO, NT et PT et risque de dégradation du fonctionnement biologique par réduction incontrôlée de la concentration en biomasse.

Le comportement du clarificateur dans ces trois fonctions est influencé par différents facteurs dont les plus importants en terme de dimensionnement sont les débits d’eau à traiter et les caractéristiques de la boue (aptitude à la décantation et à l’épaississement). D’autres facteurs, tels que les caractéristiques hydrauliques et physiques de l’ouvrage, la conception de la zone de dégazage entre réacteur biologique et clarificateur, notamment pour les réacteurs de forte profondeur (supérieure à 7 m) interviennent également, en particu­lier pour l’obtention de très faibles concentrations en MES.

dimensionnement du clarificateur

Le dimensionnement de la décantation secondaire implique la détermination de trois paramètres : surface de l’ouvrage, profondeur de l’ouvrage et taux de recirculation de la boue.

Les règles de calcul définies ci-après sont adaptées des recommandations de dimensionnement ATV. Ces règles s’appliquent aux clarificateurs circulaires et rectangulaires.

surface de l’ouvrage

Elle est déterminée à partir de la charge hydraulique superficielle admissible (en m3 · m–2 · h–1), plus com­munément appelée vitesse ascensionnelle Va définie par la formule :

Formule : clarification -  vitesse ascensionnelle Va

avec :

  • Cba (en g · L–1) : concentration en MES alimentant le clarificateur ;
  • IB (mL · g–1) : indice de boue (volume de boue VD30 occupé par un gramme de MES après trente minutes de décantation dans une éprouvette d’un litre et après éventuelle dilution de sorte que VD30 soit compris entre 100 et 300 mL) ; IB est l’équivalent du DSVI (diluted sludge volume index), utilisé dans de nombreux pays anglo-saxons notamment.

La surface minimale de clarification requise Smin est telle que :

Formule : clarification - surface minimale clarification

avec Qe (m3 · h–1) : débit maximum admissible, égal au débit de pointe de temps sec ou au débit de pointe de temps de pluie selon les cas.

Il découle de cette démarche que la surface de l’ouvrage sera d’autant plus importante que l’indice de boue de référence et/ou la concentration en boue dans le bassin d’aération seront élevés. Comme à l’inverse, le volume du réacteur biologique est d’autant plus petit que la concentration en boue est élevée, il est inté­ressant de réaliser des calculs d’optimisation économique du couple réacteur biologique-clarificateur en fai­sant varier la concentration Cba.

Ces critères de dimensionnement sont définis pour obtenir en principe une teneur en MES de sortie infé­rieure à 20 mg · L–1 avec une boue bien floculée. Il est à noter toutefois que cette teneur en MES n’est pas uniquement liée à la vitesse ascensionnelle et à IB mais également aux caractéristiques constructives du cla­rificateur et à la structure du floc.

Sachant qu’il n’est pas facile de prévoir les caractéristiques de floculation de la boue (fonction des condi­tions écologiques imposées aux bactéries), il est difficile de définir avec précision, dans la fourchette de 5 à 30 mg · L–1, la concen­tration en MES réelle de l’eau clarifiée.

profondeur de l’ouvrage

Cette profondeur est également un élément fondamental pour le bon fonctionnement d’un clarificateur. Elle est établie à partir de règles empiriques, partant du principe que la hauteur de l’ouvrage est décomposée en quatre zones superposées assurant des fonctions différentes (figure 10).

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Figure 10. Profil typique concentration-hauteur MES dans un clarificateur

h1 : zone d’eau clarifiée.
h2 : zone de séparation ou de sédimentation libre.
h3 : zone de stockage de la boue (sécurité temps de pluie), correspondant au flux de matières déconcen­trées du bassin d’aération.
h4 : zone d’épaississement et d’évacuation de la boue.

La somme des quatre valeurs hm = h1 + h2 + h3 + h4 représente la profondeur moyenne de l’ouvrage. Pour un ouvrage circulaire à fond penté, elle correspond à la hauteur mesurée au tiers du rayon à partir de la périphérie.

En pratique, h1 est prise égale à 0,50 m. Les hauteurs h2, h3 et h4 sont calculées pour le débit de pointe de l’installation et le débit de recirculation associé. Elles dépendent également de la concentration en boue Cba et de l’indice de boue IB. Par ailleurs, h4 tient compte d’un temps de séjour maximal de la boue en épais­sissement tth ; tth varie de 1 h à 2,5 h en fonction des critères de fonctionnement du système biologique.

La hauteur totale hm ne doit jamais être inférieure à 3 m pour des ouvrages de diamètre égal ou supérieur à 20 m. En-deçà de 20 m, hm ne doit pas être inférieure à 2,50 m.

taux de recirculation

La concentration maximale des boues au radier du clarificateur (Cbr max) est définie par la formule :

Formule : clarification - concentration maximale des boues au radier du clarificateur

Cbr permet de calculer le taux de recirculation de boue minimal en fonction des différents régimes hydrau­liques selon la formule Rmin = Cba/(Cbrmax – Cba). Il est recommandé de prendre un coefficient de sécurité sur la valeur obtenue afin de tenir compte d’un effet de dilution dû au système de reprise des boues (raclé ou reprise par succion).

Compte tenu que le débit d’alimentation d’une installation fluctue fortement au cours d’une même journée entre un débit de pointe et un débit minimal, le débit recirculé doit, de préférence, pouvoir être ajusté dans une certaine plage. Le choix des équipements de pompage doit prendre en compte cette souplesse de fonc­tionnement.

flux massique

La notion de flux mas­sique doit également être considérée dans le dimensionnement d’un clarificateur. Le flux massique corres­pond à la quantité totale de MES alimentant le clarificateur (recirculation incluse), ramenée à la surface de décantation, et s’exprime en kg MES · m–2 · h–1.

applications

Au tableau 3 sont résumées les conditions de fonctionnement typiques de clarificateurs et la profondeur d’ouvrage recommandée pour différentes applications de boues activées.

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Tableau 3. Caractéristiques typiques de fonctionnement des clarificateurs

aspects technologiques

fut central

La liqueur mixte provenant du bassin d’aération arrive au centre du clarificateur par une tuyauterie enterrée. Le fut central assure l’alimentation du clarificateur en son centre et une jupe de répartition (désignée aussi par le terme de clifford) autour de celui-ci permet de répartir le flux entrant de manière homogène et ceci sans perturber la décantation.

reprise des boues de fond

Les organes assurant cette fonction doivent permettre un retour contrôlé des boues épaissies vers le réac­teur biologique, et de limiter le temps de passage des boues dans le décanteur (tth maximal). Afin de limiter ce temps, diverses solutions sont envisageables :

  • limiter la taille des clarificateurs raclés, à 30-35 m au maximum selon les cas (température, charge massique…) ;
  • augmenter la pente du radier, permettant aux racleurs de ramener plus rapidement la boue de la péri­phérie vers le puits de reprise ou mieux, reprendre les boues par tubes suceurs, ce qui permet de les reprendre en théorie à cha­que passage du racleur, quelle que soit la taille du clarificateur (voir floculateurs - décanteurs - flottateurs).

reprise de l’eau traitée

Les eaux clarifiées sont généralement évacuées en surverse par un déversoir crénelé précédé ou non d’une cloison siphoïde qui retient les flottants. La conception de la reprise doit permettre d’éviter l’aspiration des boues vers les goulottes de sortie. Ceci suppose que le lit de boues soit maîtrisé et maintenu en dessous de la zone de sédimentation et que les vitesses au déversoir n’exèdent pas 15 à 20 m3 par m linéaire et par heure. On peut également rencontrer des reprises d’eau par tubes immergées.