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Conception d'un pilote de potabilisation d'eau en matériaux de récupération
 

Introduction- Accueil
Avant-projet sommaire
Avants-projets détaillés
Production d'eau potable
Production d'énergie
Conclusion


c Bac de décontamination

c Décanteur

c Le filtre à sable

c Bac tampon

c Conclusion


Introduction

Contexte
     socio-économique

Maladies hydriques

Procédés utilisés

Dimensionnement

Construction

Entretien

Analyses

Conclusion


Projets des groupes
Autres travaux
Département HMF


Nous avons pensé ce pilote pour pouvoir produire le maximum d'eau potable avec les contraintes de construction que l'on a rencontré avec des matériaux de récupération. Comme vous pourrez le voir dans les calculs suivant, c'est la partie décontamination qui s'avère dimensionnante pour le reste du système. Nous commencerons donc en toute logique par cette partie pour savoir combien de litres nous produirons par jour.

 

Bacs de décontamination  
 

 

uv solaire

 

Cette étape finale du pilote est limitante en ce qui concerne le dimensionnenment car la quantité d'eau traitée à la sortie dépend directement du volume d'eau que l'on arrive a stocker dans les bouteilles. Dans notre cas, nous avons 4 caisses contenant chacune 8 bouteilles de 2 litres remplies aux 3/4 de leur capacité. Comme vu précédemment et d'après les études déjà réalisées, pour une décontamination optimale il est impératif de laisser le système au moins 6 h en plein soleil. Nous décontaminerons donc ce volume de 48 litres deux fois par jour à raison de 6h d'exposition aux UV-solaires. C'est donc un volume approximatif de 100 litres par jours que nous pourrons produire et nous aurons besoin pour cela d'un débit moyen en sortie du filtre de Q = 9 l/h.

Pour que les bouteilles se calent exactement dans les zones incurvées de la tôle ondulée (qu'il y ai ainsi un contact optimum bouteille/tôle) il faut espacer les bouteilles de 15 cm. Pour 8 bouteilles la caisse aura donc les dimensions suivantes : 140 x 40 cm à la base puis une légère surélévation pour les bords.


Dans la logique, il est possible de rajouter d'autres « caisses de bouteilles » ou de les ralonger et augmenter ainsi le volume traité.

 

Décanteur  
 

 

Le principe du décanteur est donné dans les parties précédentes. Nous nous contenterons, depuis le débit donné de 9 l/h et compte tenu des caractéristiques de l'eau en entrée que nous utiliserons, de calculer la surface en fond de décanteur ainsi que sa hauteur.

 

fd

 

Toute particule présente dans l'eau est soumise à deux forces. La force de pesanteur, qui est l'élément moteur et permet la chute de cette particule mais les forces de frottement dues à la traînée du fluide s'opposent à ce mouvement. La force résultante en est la différence. STOKES a établi à partir de ces données, la loi qui permet de calculer la vitesse limite de chute d'une particule : 

formule3 formule4

formule5

avec vL : vitesse limite de chute de la particule (m/s)
dp : diamètre de la particule (m)
CD : coefficient de traînée
ρs : masse volumique du solide (kg/m3)
ρl : masse volumique du fluide (kg/m3)
g : accélération de la pesanteur (m/s2)
a, n : constantes
Rep : nombre de Reynolds particulaire
vp : vitesse de la particule (m/s)

a et n sont fonction du régime qui dans notre cas est laminaire (10-4 < Rep < 1)
a = 24
n = 1
Calcul du nombre de Reynolds avec des particules de 50 µm, taille usuelles des particules en suspension dans une eau de surface : Re = 0,0009 E-3.

Nous pouvons voir que le régime est très lent et donc laminaire dans tout le décanteur, ce qui nous amène aux conclusions suivantes : VL= dp2*( ρs -ρl )*g /(18*µeau).

La vitesse limite de chute avec T=10°C
ρs= 1150 kg.m-3 ;
ρl= 1000 kg.m-3 ;
g= 9.81 m.s-2 ;
µeau =1,3.10-3 Pa.s-1

On obtient VL = 1,57.10-4 m.s-1= 0,157mm.s-1
Le décanteur doit être tel qu'au moins les particules de diamètre égal à 50 µm soient retenues. De plus, une telle particule est retenue si :

formule 2

On en déduit que la surface au sol minimale vaut :

formule1

On peut désormais calculer la surface nécessaire au fond du décanteur.
Avec Q= 8L.h-1
D’où A= 0,00121 m2

Cette valeur très faible nous montre que pour des débits aussi petits que ceux que nous avons (8L.h-1) un petit décanteur est suffisant. Si l’on poursuit le calcul pour avoir le temps de séjour avec une hauteur d’eau de 30cm : Td = 2,7 min. Cette valeur théorique n’est pas exploitable. Nous allons donc procéder dans l’autre sens. Lors de nos recherches nous avons trouvé un temps de séjour classique dans un décanteur de 3h. Nous allons raisonner avec cette valeur.

Avec Q=8L.h-1 et td= 3h=10800s
On obtient Volume décanteur = 2,4.10-2 m3
Soit A =0,08 m2 pour une
hauteur de 30cm
En prenant en compte le fait qu’un décanteur est en général plus long que large, on peut imaginer le dimensionnement suivant :
L=20cm et l=40cm.
En placant une pales et des pièges à flottants comme nous l’avons fait, on considère que la décantation est efficace. Etant donné la valeur du Amin=0,00121m2, comme nous avons pris A 80 fois plus grand, notre système fonctionnera parfaitement.

 

Le Filtre à sable  
 

 

En Europe, on utilise la filtration lente sur sable depuis le début des années 1900. Cette méthode est toujours largement utilisée pour le traitement des eaux usées municipales. Des études et d'autres observations ont montré que la filtration lente sur sable permet d'éliminer efficacement Giardia et les bactéries coliformes des eaux usées et constitue un procédé de traitement innovateur et rentable qui exige peu d'entretien. Ce système est le plus efficace dans le cadre d'une approche comportant des traitements multiples.

Un filtre à sable lent comprend un lit de sable grossier (> 2mm) sur un lit de sable fin (> 1mm). Ce milieu de filtration est contenu dans une boîte comportant, aux deux extrémités, des ouvertures permettant à l'eau d'entrer et de sortir sous l'effet de la gravité. Ce procédé de filtration, une forme de traitement naturel et biologique de l'eau, est utilisé pour éliminer les solides, les précipités, la turbidité et dans certains cas les bactéries responsables du goût et de l'odeur désagréables.

 


Epaisseur usuelle :
Au début, l'épaisseur devrait être de l'ordre de 0,8 à 0,9 m afin de pouvoir effectuer à plusieurs reprises le nettoyage du filtre. Un nettoyage consiste à enlever une couche colmatée à la surface du lit. Si le filtre est le seul traitement avant la consommation de l'eau, il ne faut pas que l'épaisseur de la couche s'abaisse en dessous de 0,6 m.

Vitesse de filtration :
Une vitesse comprise entre 0,1 et 0,2 m3/m2/h est satisfaisante. Une filtration plus rapide provoquera un
colmatage précoce.

Il s'agit d'un procédé de prétraitement idéal pour les eaux de surface contenant des parasites, des bactéries et des solides en suspension. Ce procédé de filtration est rentable et fiable mais afin de maintenir son efficacité il faudra peut-être remplacer le sable de la couche supérieure.

Les systèmes de filtration lente sur sable qui fonctionnent à la demande sont faciles à utiliser et possèdent une longue durée de vie. Pour en assurer la performance, il est essentiel de les exploiter et de les entretenir correctement. Sans entretien adéquat, des dépôts s'accumulent à la surface du sable et, en fin de compte, réduisent le débit d'eau. La fréquence d'entretien, qui dépend de la qualité de l'eau traitée. pourrait être de l'ordre de 3 à 6 mois seulement.

La loi expérimentale de Darcy établie par Henry Darcy mesure le débit d'eau qui peut (par gravité et par capillarité) s'écouler, par unité de temps à travers un échantillon de milieu poreux, de section A et de longueur L. Elle décrit le phénomène physique qui est que plus la couche d'eau est importante, plus celle-ci percole rapidement dans le milieu vers le bas. Elle s'exprime par la formule suivante :


ΔP : La différence de pression hydrostatique
Q : Le débit volumique (m³/s).
K : La conductivité hydraulique ou coefficient de perméabilité du milieu poreux (m/s).
: Le gradient hydraulique (i = Δh/L), ou Δh est la différence des hauteurs piézométriques en amont et en aval de l'échantillon, L est la longueur de l'échantillon.

Les dimensions que nous avons adoptés sont 120 x 100 cm pour une hauteur de sable de 60 cm.

Dans notre cas avec une conductivité de K = 10-5 nous aurons Q= 9 x 10-6 m3/s = 32,4 l/h. Nous somes donc assez loin du débit de 8 l/h dont nous avions besoin, cette surfiltration d'eau permettra d'avoir une eau de vaisselle et de lavage bein plus propre que si nous la prenions directement en surface d'un cours d'eau.

 

Réservoir tampon  

 

fr

 

 

 

Ce réservoir aura pour but de stocker l'eau préalablement décantée et filtrée avant l'étape de décontamination. Le volume de cet élément sera donc d'une cinquantaine de litres, soit par exemple :

100 x 50 x 10 cm = 0,05 m3 = 50 litres.


Il est fort possible que le débit d'eau filtrée soit bien supérieur aux 9 l/h que nous pouvons décontaminer par la suite. Vous pourrez donc placer une goulotte de trop plein juste au dessus du niveau voulu, ce qui vous permettra de récupérer une eau filtrée qui pourrait servir pour la toilette ou le ménage.

 

Conclusion  

 

Pour le débit voulu de 9 l/h qui est nécessaire pour pouvoir traiter 100 l/j en deux phases de décontamination de 6h chacunes, les différents éléments de notre système auront les dimensions suivantes :

Décanteur :

20 x 40 cm pour une hauteur de 30 cm

Filtre à sable :

100 x 120 cm pour une hauteur de sable de 60 cm. Les débits en sortie du filtre seront très variables selon la granulométrie du sable et donc de sa conductivité hydraulique.

Bac tampon :

Celui-ci doit faire 50 litres, il est conseillé de le faire le moins haut possible pour éviter un dénivellé trop élevé entre l'entrée au décanteur et la sortie des bacs de décontamination.

Nous pouvons donc prendre par exemple : 100 x 50 x 10 cm = 0,05 m3 = 50 litres.

Bacs de décontamination :

Pour la quantité voulue, les 4 caisses doivent faire chacune 140 x 40 cm avec si possible des bords qui donneront une certaine rigidité au système.

 

   

r Procédés utilisés..........................................................................;Construction r