Chapitre II - COAGULATION - FLOCULATION [PDF]

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Chapitre II Coagulation- Floculation II.1 Introduction: La turbidité et la couleur d’une eau sont causées par la présences des particules colloïdales. Les P.C restent dans l’eau durant de très longues périodes de temps). Pour éliminer ces particules on recours au procédé Coagulation –Floculation La coagulation a pour but de déstabiliser les particules en suspension pour faciliter leur agglomération. En pratique , elle consiste à ajouter des réactifs en agitation rapide pendant 1 à 2min La floculation a pour but de favoriser , à l’aide d’un mélange lent, les contacts entre les particules pour former des flocs facilement décantables

II.2 Particules en suspension

Proviennent de : - Erosion des sols, dissolution des substances minérales et de la décomposition des matières organiques - La turbidité est due au présence des particules minérales (argiles, glaise,…) - La couleur est due aux particules organiques et parfois aux particules minérales (hydroxyde de fer donne une couleur brune à l’eau) - Il existe des particules hydrophiles (matière organique) et des particules hydrophobes(particules minérales)

I.3. Théorie de la double couche Dans une eau naturelle, les particules colloïdales possèdent habituellement une charge électrique négative située à leur surface. Pour expliquer la stabilisation de ces particules, ont fait généralement appel à la théorie de la double couche ionique développée par Stern.. Chaque particule colloïdale possède généralement une charge négative. Cette charge électrique située a sa surface, attire les cations en solution, formant ainsi la couche fixe de Helmholtz. A leur tour, les ions positifs qui adhérent fortement à la particule, attirent des anions accompagnés d’une faible quantité de cations formant la couche diffuse de Gouy et Chapman. La couche fixe et la couche diffuse forment ainsi la double couche de Stern (Figure II.1)

Figure II.1 charge électrique d’une PC en solution

I.3.1. Potentiel Zêta Il est responsable du comportement électrocinétique de la particule colloïdale dû à la charge effective de l’ensemble particule- double couche. Quand la charge effective diminue, le potentiel Zêta et la stabilité diminuent. Le potentiel qui existe entre la surface délimitant l’entité mobile et la surface extérieure de la couche diffuse, s’appelle potentiel Zêta. Le potentiel Zêta est défini par l’équation :

4    U Z D

Z : potentiel zêta (V) µ : Viscosité dynamique du liquide (kg.m-1.s-1) ; U : mobilité de la particule (m2/Vs) =V/E D : Constante diélectrique du milieu.(N/V.m)

Le potentiel électrostatique est influencé par la force ionique I de l’eau. I : Force ionique. Ci : Concentration de l’ion i (mole/l). Zi : Valence de l’ion i.

1 I   Ci  Zi2 2

Une augmentation de la force ionique comprime la couche diffuse vers la particule ce qui réduit le potentiel Zêta des particules hydrophobes. Pour les particules hydrophiles il faut plutôt agir sur la couche d’eau liée lorsqu’on veut favoriser leur agglomération. I.3.2 plan de cisaillement: C’est le plan séparant la partie qui se déplace avec la particule de la partie qui se déplace indépendamment de la particule. Sur ce plan règne le potentiel zêta.

I.4. La coagulation Le mot coagulation  vient du latin coagulare qui signifie agglomérer . La coagulation résulte de l’addition de réactifs chimiques dans des dispersions aqueuses, afin d’assembler en agrégats plus gros, les fines particules dispersées. La charge électrique et la couche d’eau qui entourent les particules hydrophiles tendent à éloigner les particules les uns des autres, et par conséquent, à les stabiliser dans la solution. Le but principal de la coagulation est de déstabiliser ces particules pour favoriser leur agglomération

I.4.1. Mécanismes de la coagulation- floculation On distingue 4 mécanismes de coagulation pour déstabiliser les P.C - Compression de la double couche - Adsorption et neutralisation des charges - Emprisonnement des PC dans un précipité - Adsorption et pontage II.4.1.1.Compression de la double couche Lorsqu’on rapproche deux particules colloïdales semblables, leurs couches diffuses interagissent et génèrent une force de répulsion. Pour vaincre cette force on ajoute un électrolyte qui va crée, au sein de l’eau une couche ionique plus élevée, qui va contribuée à faire diminuer l’épaisseur de la double couche électrique sans affecté son potentiel Zêta . L’épaisseur  du nuage ionique qui entoure et protège les particules est donnée par la formule de Debye- Huckel (en nm et à 25°C) :

 Où C : la concentration molaire de chaque espèce ; Z : la valence de sa valence.

0,31

2 CZ 

Lorsque l’épaisseur diminue, les particules peuvent se rapprocher d’avantage (elles ne se repoussent plus autant qu’avant ) et les forces d’attraction de Van der waals vont être supérieures aux forces électrostatiques ce qui va favoriser l’agrégation des particules.il a été observé que l’addition d’ions de charge opposée à la charge initiale, était d’autant plus efficace que la valence de ces ion était très elevée. AL3+> Ca2+>Na+ . Il a été remarqué après expérimentation que l’ajout d’un excés de coagulants a pour effet de restabiliser les PC , phénomène qu’on peut pas l’expliquer à l’aide de la théorie de la double couche. II.4.1.2 Adsorption et neutralisation des charges: on peut Toute fois expliquer le phénomène de restabilisation des PC en posant l’hypopthèse les charges issues d’un surplus de coagulant sont adsorbées à la surface des particules. Les particules ainsi restabilisées possèdent alors une charge inversée, ce qui est contraire au but recherché.

II.4.1.3. Coagulation par emprisonnement des PC dans un précipité  sweep coagulation )

Pour déstabiliser les particules colloïdales, on peut en outre les emprisonner dans un floc. Quand on ajoute des coagulants, habituellement des sels de métaux trivalents, Al2(SO4)3 ou FeCl3 à des concentrations suffisantes pour provoquer une précipitation rapide de l’hydroxyde, les particules colloïdales peuvent être emprisonnéesdans ces précipités au cours de leur formation. Il s’agit donc d’une capture physique des colloïdales. En effet, lorsque le pH de l’eau se situe dans un domaine légèrement acide ou neutre, le floc constitué de molécules de Al(OH)3 ou de Fe(OH)3 possède habituellement une charge positive. La présence de certains anions et de particules colloïdales dans la solution accélère la formation du précipité, c’est l’étape de la sweep coagulation  . La « sweep coagulation » est beaucoup plus rapide que la coagulation par adsorption, mais elle fournit un floc moins compact et moins résistant.

II.4.1.4 Adsorption et pontage: Lorsqu’on utilise des polyelectrolytes constituées par les molécules de très longues chaînes contenant des groupements chimiques qui peuvent adsorber des particules colloïdales à l’une de leurs extrémités, ainsi que d’autres sites sont libres pour adsorber d’autres particules. On dit alors que les molécules de polymères forment des ponts entre les particules colloïdales. Il peut y’avoir restabilisation de la suspension, restabilisation imputable à une concentration excessive de polymères. Dans ces conditions, les sites libres de plusieurs molécules de polymères s’accrochent à une même particule colloïdale

+ Adsorption des p.c sur un polymère

Les polymères servent comme des ponts entre les pc

Ajout en excés , plusieurs polymères s’accrochent à une meme particule

II.4.2 Les différents types de coagulants Les coagulants principalement utilisés pour déstabiliser les particules colloïdales sont à base de sels d’Aluminium ou de fer hydrolysable au pH voisin de la neutralité. Les coagulants les plus utilisés dans le traitement des eaux sont le sulfate d’Aluminium Al2(SO4)3nH2O et le chlorure ferrique. (FeCl3nH2O). a) Sulfate d’Al (Alun): Le sulfate d’Aluminium est actuellement le coagulant le plus largement utilisé. C’est un sel basique, hydraté, commercialisé sous la forme solide Al2(SO4)3 ,14H2O. Ce sel se dissocie dans l’eau en ions Aluminium et Sulfate, conduisant à des réactions chimiques avec les ions hydroxydes de l’eau. En effet, l’ion Aluminium réagit sur l’eau pour former l’hydroxyde d’Aluminium qui précipite sous la forme d’un floc volumineux (en fonction du pH) Al2( SO4)3 + 6H2O

2 Al(OH)3 + 3 H2SO4

Réaction avec l’alcalinité de l’eau: Al2(SO4)3,18H2O + 6HCO3Al(OH)3+3SO42+18H2O+6CO2

Réaction d’hydrolyse et les espèces formées Lorsque on ajoute les sels d’Al à l’eau il s’hydrolise et donne plusieurs produits d’Al qui dépend du PH Selon Baes , les espèces hydrolysées d’Aluminium existent sous les formes suivantes : . cinq monomères d’Aluminium (Al3+, Al OH2+, Al( OH)2+, Al( OH)30, Al( OH)-4 ) ; • trois polymères d’Aluminium ( Al2 (OH)24+, Al3( OH)45+, Al13O4(OH)247+); • un précipité solide d’Aluminium (Al (OH)3(s)).

b)Sels de fer: Le coagulant à base de sels de fer le plus utilisé est le chlorure ferrique (FeCl3nH2O) Ce coagulant est aussi employé comme agent de précipitation du phosphate et comme agent de conditionnement de la boue Il s’hydrolise suivant la réaction suivante: FeCl3 +3H2O Fe(OH)3+3HCl

II.4.3PH de l’eau et dose du coagulant: Le pH est le paramètre le plus important à contrôler lors de la coagulation . Il existe une plage de pH optimal où la coagulation est rapide et optimale il correspond à la forme solide de Al(OH)3 et Fe(OH)3 c’est le PH iso électrique. Généralement le PH optimal varie entre 5.5 et 7.7 (dépend de la minéralisation). le pH optimal et la dose optimale peuvent être déterminés expérimentalement grâce à l’essai de JARTEST.

Système d’Agitation rapide

Floculation: La floculation est l’opération qui permet l’agglomération des particules déstabilisées. Elle consiste en une agitation lente pendant quelques minutes pour favoriser le contact entre les particules pour former des flocs. Deux types de floculation: - Floculation péricinétique - Floculation orthocinétique

Les différents types de floculants On appelle adjuvants de floculation (ou floculants), des corps utilisés en quantités plus faibles que les réactifs coagulants. Ils modifient nettement le comportement de ces derniers en ce qui concerne la rapidité de la formation des flocs, la dimension des flocs, leur densité, leur vitesse de sédimentation et leur comportement ultérieur dans les filtres. • Les polyélectrolytes sont des polymères de haut poids moléculaire ayant une structure linéaire qui leur donne la propriété d’être solubles dans l’eau. Ils présentent périodiquement sur leur chaîne des groupements chimiques fonctionnels, ionisables. Ces molécules réagissent avec la matière colloïdale dans l’eau par la neutralisation des charges ou par le pontage (enchaînement)des particules individuelles. Le but étant de former un précipité ou floc qui soit visible et insoluble.

Bien que les polyélectrolytes soient des matériaux organiques synthétiques, il existe une variété infinie de produits d’origine naturelle. On distingue • polymères non ioniques ; • polyélectrolytes anioniques ; • polyélectrolytes cationiques . Les polymères non ioniques Les plus connus de ce groupe sont les polyacrylamides de masse moléculaire pouvant atteindre 30 millions. La formule générale du polyacrylamide est : Les polyélectrolytes anioniques Ce sont des macromolécules de masse moléculaire élevée (environ 5 millions), portant sur leur chaîne des groupement actifs chargés négativement .Il existe une gamme très importante à partir de structure sulfonique, phosphonique ou carboxylique. Les plus courants sont les copolymères de l’acrylate-acrylamide avec des groupes amides partiellement ionisés sous l’action d’une base,

Les polyélectrolytes cationiques Ce sont des macromolécules de masse moléculaire faible (250.000 à 1million), portant sur leur chaîne des charges positives , le groupement actif étant le radical ammonium. Les plus connus sont les chlorures de polyéthylénimine et de polyvinyle ammonium. [CH2CH2NH2+Cl-]n chlorure de polyéthylénimine. [CH2CHNH2+Cl-]n chlorure de polyvinylammonium.

Les différents système de floculation

Floculateur à chicane

Floculateur à pales

Gradient de vitesse: G G=dv/dy c’est la variation verticale de la vitesse, Il est utilisé pour estimer l’énergie dissipée

G:gradient de vitesse (s-1) P: puissance dissipée dans le liquide µ: viscosité dynamique(pa.s) V: volume du bassin La puissance dissipée dans le cas d’un floculateur à pales est:

P=1/2 Cd ρ. Ap.v3 Cd: coef de trainée =1.8 pour une pale plate Ap: surface de la pale v: vitesse relative de la pale / au liquide =0.75vp Vp: vitesse de la pale

Essai de JARTEST L’essai de jartest permet de déterminer les deux paramètres de coagulation : le PH optimal et la dose optimale du coagulant. En général permet de simuler la coagulation floculation à l’ echelle réduit. Au début on fixe la dose du coagulant et varie le PH. Après on détermine le pH optimal

La deuxième essaie consiste à déterminer la dose optimale : on fixe le pH à sa valeur optimale et on fait varier la dose du coagulant

Les figures suivantes représentent les résultats de l’essai Jartest

Chapitre II Coagulation-floculation Choix des valeurs de G et Gt: Deux paramètres sont plus importants dans le dimensionnement du système d’agitation G et Gt. G varie de 3000s-1 à 5000s-1 et t =0.5s pour la coagulation par adsorption G varie de 600 à 1000s-1 et t=10s pour la sweepcoagulation(précipité Al(OH)3). Pratique de l’agitation: Deux types d’agitation sont appliqués : il s’agit de l’agitation rapide (Flash mixing) pour la dispersion et l’agitation lente (floculation). Design Flash mixing : L’équipement choisi doit produire G elevé. Pour la coagulation par adsorption et neutralisation les systèmes sont: -agitation et diffusion par jets d’eau sous pression - Agitation mécanique in line - Agitation statique in line

Chapitre II Coagulation floculation Pour sweep coagulation on recommande: - Agitation mécanique - Diffusion par une conduite - Agitation hydraulique

Flash mixing mécanique in line

Flash mixing

Flash mixing Agitateur statique in line: c’est une conduite muni d’hélices qui permettent de faire tourner l’écoulement produisant un mélange par turbulence.

Mélange mécanique à turbines: Le temps de séjour varie de 1 à 7s et G varie de 600 à 1000s-1

Flash mixing D: diamètre de l’agitateur T: diamètre équivalent H: profondeur de l’eau B: hauteur d’eau au dessous de l ’agitateur La puissance transmise par L’agitateur à l’eau est donnée par

P=Np.n3.Di5.ρ Np: constante de l’agitateur n: vitesse de rotation (s-1) Di: diamètre de l’agitateur ρ: masse volumique du liquide

Systèmes de floculation Agitation lente Design du floculateur: Comme l’agitation rapide est le facteur le plus important pour l’efficacité de déstabilisation des PC; l’agitation lente est le facteur le plus important affectant l‘efficacité d’élimination des particules. L’objectif du floculation est de favoriser le contact entre les particules déstabilisées dans le but d’obtenir des flocs de taille importante facile à décanter ou à filtrer. Dans le bassin de floculation, le gradient de vitesse G doit être contrôlé pour éviter soit le dépôt des flocs dans le bassin de floculation pour G faible soit la brise des flocs pour G grand. Donc il faut choisir un gradient de vitesse optimal. Le temps de contact est aussi un paramètre important dans la floculation , en effet , temps de contact minimal recommandé est 30minute (GLUMRB 2003). Il est inversement proportionnel de la température. Le tableau suivant présente quelques valeurs de G et Gt en fonction de la nature de floculation et le type de traitement Bassin de floculation: De préférence le bassin de floculation doit être divisé au moins en 03 compartiments et dont G décroit du premier compartiment au dernier. La vitesse de l’écoulement doit être comprise entre 0.15 et 0.45m/s. La profondeur du bassin est comprise entre 3 et 5m

Design du bassin de floculation Tableau valeurs de G et Gt pour différent type de floculation

Chicanes:(Baffles) elles permettent de séparer entre les compartiments. Le haut des chicanes doit être submergé (1 à 2cm) au dessous de l’eau. Le bas des chicanes doit être surélevé du fond de floculateur de 3cm (drainage et evacuation des boues). Chaque chicane contient des orifices uniformément distribués sur sa surface verticale.

Design du bassin de floculation

Figure bassin de floculation à pales et à trois compartiments

La perte de charge due à un orifice est calculée par (Reynolds & Richards ,1996)

Q  C d .A. 2gh

Q: débit à travers un orifice Cd: coefficient du débit h: perte de charge à travers l’orifice. A: section de l’orifice

Design du bassin de floculation Le Cd varie de 0.60 à 0.80 . Plusieurs auteurs recommande un diamètre de l’orifice de 10 à 15cm. La vitesse à travers l’orifice varie 0.25 à 0.55m/s et la perte de charge varie de 3 à 9mm à débit max Exemple : faite le design d’une chicane pour un débit 10000m3/j Cd=0.6 , diamètre de l’orifice :100mm 1. commencer par choisir un nombre des orifices 2. Calculer la vitesse et vérifier 3. calculer la perte de charge et vérifier Si les calculs ne vérifient pas les conditions de la vitesse et la perte de charge vous changer le nombre d’orifices jusqu’à la vérification (itérations) .

Design du bassin de floculation Alternatives du mélange: La floculation peut être réalisé par : - Bassin à turbines verticales comme celle du flash mixing (mélange rapide). - Bassin à pales - Bassin à chicanes Les turbines verticales sont recommandées pour traiter un faible débit (station monobloc). Le bassin à pales est le plus répondu dans le design, il permet de traiter un grand débit.

Design du floculateur Bassin à pales:

La puissance dissipée par un système à pales:

P: puissance (w) , CD : coefficient de trainée (1.8) Ap: surface de la pale , vp: vitesse de la pale =2π.k.r.n k=0.75 , r: rayon du centre de la pale /axe de rotation n: nombre de tours /second

Design du bassin à pales

Design du bassin à pales Exemple: faite le design d’un bassin de floculation à plales; on donne: - Débit Q=50 x103 m3/j - Temps 22min - 3 compartiments dont G est: 40 , 30 , 20 s-1 respect. - Température de l’eau 15°c µ15=1.139x10-3 pa.s