Décantation : définition et principe

Ce qu'est la décantation, et ce que la définition impose

La décantation est l'opération physique qui sépare les constituants d'un mélange hétérogène par la seule action de la pesanteur, sans transformation chimique. Les particules plus denses que le liquide descendent, celles qui le sont moins remontent, et la séparation s'obtient sans apport d'énergie mécanique. Cette définition impose une condition de départ que l'on oublie souvent, il faut un écart de masse volumique entre les deux phases. Sans cet écart, aucune force motrice n'existe et l'opération n'a pas lieu, quelle que soit la durée d'attente. Une huile flotte sur l'eau parce qu'elle est moins dense, et c'est le même mécanisme qui la fait remonter au lieu de tomber.

Le mécanisme se décrit par un bilan de forces sur une particule isolée. Le poids l'entraîne vers le bas, la poussée d'Archimède le contrarie, la traînée du fluide s'oppose au mouvement et croît avec la vitesse. L'équilibre s'établit très vite, en général en une fraction de seconde, et la particule adopte alors une vitesse de chute constante. Pour une sphère en régime laminaire, la loi de Stokes donne cette vitesse limite, proportionnelle au carré du diamètre et à l'écart de masse volumique, inversement proportionnelle à la viscosité du fluide. La conséquence est brutale pour le dimensionnement, diviser par deux le diamètre d'une particule divise sa vitesse de chute par quatre.

C'est ce qui explique l'échelle de temps observée en pratique. Un grain de sable de 200 micromètres chute dans l'eau à environ 2 centimètres par seconde et se dépose en quelques secondes. Une argile de 1 micromètre tombe 40 000 fois plus lentement et mettrait plusieurs jours à parcourir la même hauteur. En dessous de 1 micromètre, l'agitation brownienne prend le dessus et la particule ne sédimente plus du tout. La frontière pratique de l'opération se situe donc autour de quelques micromètres, et tout ce qui est plus fin doit être agrégé avant d'espérer le séparer par gravité. Les aspects théoriques de ce comportement sont développés dans décantation, aspects théoriques, et le cadre général du mouvement d'un fluide chargé dans éléments de mécanique des fluides, application aux milieux poreux.

La grandeur qui dimensionne un bassin de décantation

Le dimensionnement d'un bassin de décantation repose sur une grandeur unique, la vitesse de Hazen, quotient du débit à traiter par la surface horizontale de l'ouvrage. Une particule est retenue si sa vitesse de chute dépasse cette valeur. Le résultat surprend au premier abord, la profondeur du bassin n'intervient pas dans le critère de capture. Elle joue sur le volume de stockage des boues et sur la stabilité hydraulique, pas sur le rendement de séparation.

Le contre-sens fréquent consiste à creuser pour améliorer une clarification insuffisante. Il faut au contraire étaler, puisque seule la surface offerte compte. Cette lecture ouvre directement la voie aux appareils compacts.

Avant de choisir un appareil, il faut savoir à quel régime on a affaire, car le comportement du mélange change avec la concentration. Le génie des procédés range les différents types de décantation selon ce qui gouverne la chute. La décantation de particules grenues, où chaque grain tombe indépendamment des autres à vitesse constante, cas du sable et des particules solides denses. La décantation de particules floculées, où les flocs se rencontrent, s'agrègent en tombant et accélèrent progressivement. La décantation freinée, quand la concentration devient telle que le flux d'eau remontant entre les particules ralentit l'ensemble, et qu'une interface nette apparaît et descend à vitesse uniforme. La décantation en compression enfin, dans le lit de boues, où le dépôt se tasse sous son propre poids et perd lentement son eau interstitielle. Un clarificateur d'eaux usées traverse les quatre régimes sur sa hauteur, du surnageant limpide au fond épaissi.

• Le décanteur statique circulaire ou rectangulaire, avec racleur de fond et goulotte périphérique de reprise du surnageant. Il traite couramment 1 à 2 mètres par heure de vitesse de Hazen en eau potable, et reste la structure la plus utilisée pour les grands débits.
• Le décanteur lamellaire, garni de plaques inclinées à 55 ou 60 degrés qui multiplient la surface projetée sans augmenter l'emprise au sol. Il accepte des vitesses 5 à 10 fois supérieures et divise d'autant la place nécessaire.
• Le décanteur à lit de boues, où l'eau traverse de bas en haut un voile de flocs déjà formés qui joue le rôle de filtre et capte les particules fines encore en suspension.
• La centrifugeuse, qui substitue à la pesanteur une accélération de plusieurs milliers de fois supérieure et traite en quelques secondes ce qu'un bassin demanderait des heures à séparer. Le comparatif des deux voies figure dans centrifugation et décantation.
• Le décanteur-séparateur liquide-liquide, qui sépare deux phases non miscibles par différence de densité après une opération d'extraction liquide-liquide.

Le choix entre ces types de décantation se fait sur trois critères, la place disponible, la concentration en matières en suspension à l'entrée et la qualité exigée en sortie. Le détail des équipements industriels est traité dans décantation, équipements et procédés, et le classement des particules par leur vitesse de chute dans classification hydraulique en dimensions et classification par sédimentation.

Pourquoi la coagulation-floculation précède presque toujours l'opération

Une eau de surface brute porte des colloïdes de 0,1 à 10 micromètres, chargés négativement, qui se repoussent et refusent de s'agglomérer. Livrés à eux-mêmes, ils ne décantent jamais. Le prétraitement lève cet obstacle, en séparant ce qui neutralise de ce qui rassemble.

La coagulation neutralise la charge de surface par ajout d'un sel métallique, sulfate d'aluminium ou chlorure ferrique, sous agitation vive de quelques dizaines de secondes. La floculation qui suit rassemble les colloïdes déchargés en flocs de plusieurs centaines de micromètres, sous agitation lente pendant 15 à 30 minutes, souvent avec l'aide d'un polymère organique. La vitesse de chute passe alors de quelques millimètres par jour à quelques mètres par heure, et le rendement d'abattement des matières en suspension monte couramment au-delà de 90 %. Les techniques correspondantes sont exposées dans traitement des eaux avant utilisation, matières particulaires et dans traitements physico-chimiques de la pollution insoluble.

En aval, la filtration prend le relais sur ce que la gravité laisse passer. L'enchaînement classique d'une filière d'eau potable place la coagulation, la floculation, la décantation puis la filtration sur sable, chaque étage traitant une classe de taille que le précédent ne pouvait pas atteindre. Les principes de l'étage filtrant sont détaillés dans filtration, aspects généraux, et l'association des deux opérations en production pharmaceutique dans décantation-filtration.

Les usages industriels de la décantation

Le procédé se retrouve partout où un mélange doit être débarrassé d'une charge solide ou d'une seconde phase liquide, et son intérêt tient à un coût d'exploitation très bas puisqu'aucune énergie n'est dépensée pour la séparation elle-même. Les applications couvrent l'eau, la chimie, l'agroalimentaire et l'extraction minière.

• En production d'eau potable, comme étage de clarification entre la floculation et la filtration. L'eau décantée passe ensuite sur les filtres à sable.
• En traitement des eaux usées, en décantation primaire pour retirer les particules en suspension décantables à l'entrée de la station, puis en clarification secondaire pour séparer les boues activées de l'eau épurée. Le comportement dynamique de cet ensemble est modélisé dans modélisation dynamique des procédés biologiques de traitement des eaux.
• En chimie et en pétrochimie, pour séparer deux liquides non miscibles en sortie de colonne d'extraction, ou pour retirer l'eau libre d'un hydrocarbure.
• En agroalimentaire, sur les jus, les vins, les moûts et les huiles, où l'opération précède la clarification fine.
• En minéralurgie, par exemple pour épaissir une pulpe avant filtrage et recycler l'eau de procédé en tête d'installation.
• Au laboratoire, avec l'ampoule à décanter, un récipient en verre à robinet inférieur qui reproduit à petite échelle la séparation de deux phases liquides par simple soutirage du bas. Le même geste, dans une cave, sépare le vin de son dépôt.

La limite de l'opération se lit dans la concentration du dépôt obtenu. Une boue soutirée en fond de clarificateur ne dépasse guère 1 à 3 % de matière sèche, ce qui reste très liquide et coûteux à transporter. Un épaississement puis une déshydratation mécanique s'imposent avant toute évacuation, et cette suite de traitements pèse souvent plus lourd dans le bilan d'exploitation que la clarification elle-même.