Coagulation et floculation dans le traitement des eaux usées

• 1. introduction aux processus de coagulation et de floculation
• 2) Qu'est-ce que la matière colloïdale ?
• 3. Processus de coagulation et de floculation des matières colloïdales.
• 4. Séparation des colloïdes par flottation DAF
• 5. Conclusion

1. introduction aux processus de coagulation et de floculation

Les eaux usées contiennent généralement des particules solides de tailles et d'origines diverses qui contribuent à leur pollution. Ces solides peuvent être organiques ou inorganiques, et leur taille peut varier de quelques fractions de micron à quelques millimètres. Elles sont connues sous le nom de matières en suspension totales (MES) et leur présence peut provoquer des blocages et des dommages aux installations dans lesquelles les effluents s'écoulent. Lorsqu'elles sont de nature organique, elles peuvent également produire des biofilms et constituer des sources de fermentation et d'infection.

Tout comme les restes fécaux, les détergents et autres effluents domestiques sont couramment présents dans les eaux usées urbaines, les eaux usées industrielles contiennent souvent des polluants provenant du lavage des produits, des résidus de production, du lavage des circuits et des usines, des produits chimiques, etc.          

Les matières totales en suspension correspondent aux matières solides non dissoutes qui restent dispersées dans le fluide et n'ont pas tendance à se déposer. Elles se présentent sous forme de suspension ou sous forme colloïdale, en raison de leur charge électrique. Leur concentration est mesurée en mg/l (ppm).

Caractéristiques	Suspensions	Dissolutions	Colloïdes
Taille des particules	≥1000nm	0,1 - 1 nm	1 - 1000 nm
Il présente une sédimentation	Oui	Non	Non
Visibilité	Translucide ou opaque	Transparent	Opaque ou transparent
Séparation par filtration	Oui	Non	Non
Présentation de l'effet Tyndall	Sans objet	Non	Oui
Phases présentes	2	1	2

Dans une solution, l'ensemble du fluide est homogène et les solides dissous ne peuvent être distingués, tandis que dans une suspension, les solides sont évidents, filtrables et ont tendance à se déposer. Dans une dispersion colloïdale, les solides ne sont pas filtrables et ne sont visibles qu'à l'œil nu en raison de l'effet Tyndall.         

L'effet Tyndall est une technique visuelle permettant de détecter la diffusion de la lumière par des particules colloïdales. Si une solution colloïdale est éclairée par un faisceau lumineux, les particules diffusent la lumière et donnent au mélange un aspect trouble ou opaque.

Effet Tyndall

2) Qu'est-ce que la matière colloïdale ?

La formation de colloïdes se produit parce que les micro-solides en suspension dans les solutions aqueuses ne peuvent pas être séparés par sédimentation et filtration. Il s'agit d'un équilibre délicat entre les forces électrostatiques, la taille des particules et les conditions environnementales. Ces facteurs déterminent la stabilité et les propriétés des colloïdes en solution. Il s'agit d'un processus complexe qui dépend de :

Taille des particules : les particules colloïdales ont une taille comprise entre les plus grosses particules et les plus petites molécules. La taille influence la stabilité du colloïde. Les particules plus petites ont tendance à former des colloïdes plus stables.

• Charge électrique : les particules colloïdales ont une charge électrique à leur surface en raison de l'adsorption d'ions. La répulsion électrostatique entre les particules chargées de même signe les empêche de s'agréger. La charge de surface peut être modifiée par l'ajout d'électrolytes ou de surfactants.
• Nature du solvant : La polarité du solvant influe sur la formation des colloïdes. Dans les solvants polaires tels que l'eau, les particules colloïdales ont tendance à se disperser plus facilement.
• Température : la température affecte la solubilité et la stabilité des colloïdes. Certains colloïdes peuvent coaguler ou précipiter à des températures extrêmes.
• Nature des particules : Les particules colloïdales peuvent être organiques ou inorganiques. La présence de groupes fonctionnels sur les particules influence également la formation des colloïdes.
• Agitation et mélange : l'agitation mécanique favorise la dispersion des particules et la formation de colloïdes. Un mélange adéquat est essentiel pour obtenir une distribution uniforme.

De nombreux colloïdes sont formés par peptisation ou défloculation. Il s'agit d'un processus chimique par lequel un précipité est transformé en colloïde en le remuant avec un électrolyte appelé agent de peptisation. Ce phénomène se produit lorsque les particules colloïdales ont des charges électriques de même signe qui se repoussent. Ce phénomène est provoqué par l'ajout d'un électrolyte au système (par exemple, une solution concentrée de NaCl).

La peptisation affecte négativement les processus de sédimentation et de filtration des solides en suspension dans les eaux usées.

La mesure des charges électriques de surface des particules colloïdales est essentielle pour comprendre leur comportement et leur stabilité. Les méthodes suivantes sont les plus couramment utilisées pour évaluer ces charges :

• Effet Tyndall: Comme indiqué au point précédent, il s'agit d'un phénomène visible à l'œil nu dû à la réfraction de la lumière dans les particules.
• Potentiel zêta: le potentiel zêta est une mesure quantitative de la charge électrique dans la double couche électrique autour des particules colloïdales. Il est mesuré par des techniques telles que l'électrophorèse ou la microscopie à force atomique. L'électrophorèse consiste à appliquer un champ électrique à une solution colloïdale et à mesurer la vitesse de déplacement des particules. Le potentiel Zeta est calculé à partir de cette vitesse à l'aide d'appareils appelés zétamètres. Cette mesure tient compte du pH du milieu qui, pour les eaux naturelles, est de -14 à -30 mV pour un pH de 5 à 8. Plus cette valeur (mV) est négative, plus la charge électrique des particules est élevée. La microscopie à force atomique permet de visualiser et de mesurer les forces répulsives ou attractives entre particules colloïdales sur une surface solide.
• Turbidité : il s'agit de la seule mesure continue. Elle est généralement exprimée en NTU (Nephelometric Turbidity Unit) et une corrélation peut être établie avec la concentration en MES, bien qu'il soit toujours nécessaire d'obtenir des valeurs en laboratoire pour établir la corrélation mathématique. Des instruments appelés turbidimètres sont utilisés pour mesurer ce paramètre.
• Conductance de surface : la conductance de surface fournit également des informations sur les charges électriques. Elle est basée sur la distribution des ions dans la double couche électrique et évalue comment elle est affectée par le champ électrique. Si la conductance est élevée, le potentiel Zeta est sous-estimé.
• Analyse de la double couche électrique: la double couche électrique est la région autour d'une particule colloïdale où les charges électriques interagissent avec le milieu environnant. Son étude fournit des informations sur les charges de surface.

3. Processus de coagulation et de floculation des matières colloïdales

La coagulation et la floculation sont des processus essentiels dans le traitement des eaux usées, car elles permettent la séparation des solides colloïdaux et des solides en suspension plus petits.

La coagulation est le processus par lequel les particules colloïdales présentes dans l'eau sont déstabilisées. Ce résultat est obtenu en neutralisant les charges électriques à la surface de ces particules.    

Cette neutralisation est réalisée par des agents coagulants, qui sont généralement des sels métalliques chargés positivement. Des exemples courants de coagulants sont le sulfate d'aluminium, le polychlorure d'aluminium (PAC), le sulfate ferrique et le chlorure ferrique.

Ce processus est réalisé dans une chambre d'agitation rapide (environ 1500 tours/minute), avec des hélices de type sabre, et avec un temps de séjour d'environ 3 à 5 minutes.

Le pH est important pour vérifier une bonne coagulation. Le pH idéal dépend du type de coagulant à utiliser. Pour un pH tendant vers l'acidité, on utilise généralement _FeCl3, pour un pH tendant vers l'alcalinité, on utilise des sels d'aluminium de type PAC, et pour un pH neutre, on utilise généralement _Al2(SO4)3.

Après la coagulation, les particules colloïdales déstabilisées s'agglutinent et forment de petits flocs qui ont encore tendance à rester en suspension. Pour les agglutiner en flocs plus grands et facilement séparables, des floculants (polyélectrolytes), qui sont des polymères à longue chaîne et à poids moléculaire élevé, sont ajoutés. Ces floculants agissent comme un réseau et rassemblent les caillots en groupes plus importants, qui peuvent être séparés par décantation, flottation ou filtration.

Il arrive que des flocs en forme d'épingle, également appelés "flocs en forme d'épingle", se forment. Il s'agit d'un phénomène qui se produit dans le cadre du traitement des eaux usées et des processus de boues activées et qui se caractérise par la formation de petits flocs avec une structure en forme de pointe d'épingle. Ces flocs sont fragiles et posent les problèmes suivants :

• Ils ont des difficultés à se déposer et à se déposer au fond du réservoir ou du clarificateur.
• Difficulté à se séparer du sinus liquide et à former une couverture dense sur un flotteur.
• Tendance à la rupture en cas de fuite Tendance à la rupture
• L'effluent traité peut sembler trouble en raison de la présence de ces solides.

Ces pinflocs sont généralement générés dans les vieilles boues ou dans certains rejets industriels présentant des caractéristiques de dispersion. Ils ont également tendance à apparaître lors du démarrage des stations de traitement des effluents et disparaissent dès que la floculation est stabilisée.

Les micelles colloïdales sont étroitement liées aux processus de coagulation et de floculation dans le traitement des eaux usées.

Les micelles colloïdales sont des agrégats de molécules comportant une partie hydrophile et une partie hydrophobe (amphiphile), qui se forment dans les solutions aqueuses. Ces micelles ont une structure sphérique ou cylindrique, où les têtes hydrophiles se trouvent à la surface et les queues hydrophobes sont regroupées à l'intérieur. Les micelles peuvent transporter et maintenir en suspension des substances insolubles dans l'eau, telles que les graisses et les huiles, et même augmenter la solubilité de certains contaminants indésirables. Les micelles colloïdales peuvent également être déstabilisées par des coagulants, car les têtes hydrophiles des micelles peuvent interagir avec les ions du coagulant.

Lors de la floculation, des micelles colloïdales peuvent être adsorbées à la surface des flocs formés. Cela contribue à la stabilité de ces flocs et facilite leur rétention dans les processus de filtration ou de sédimentation.

Les micelles colloïdales sont des agrégats de molécules amphiphiles dont la stabilité dépend des charges électriques présentes à leur surface. Pour mesurer la stabilité de ces micelles, on mesure l'interface particule-liquide avec le potentiel Z, qui est proportionnel à la stabilité du colloïde.

Tests de coagulation et de floculation

Le "jar-test" est le test le plus couramment utilisé pour la détermination et l'ajustement des réactifs coagulants et floculants à doser dans l'eau. Il présente l'avantage d'être réalisé dans un appareil portable qui peut être utilisé au point de rejet. Il s'agit d'une technique fondamentale dans le traitement de l'eau en général et des eaux usées en particulier.

Le test est réalisé sur un équipement de laboratoire contenant des béchers. Chaque bécher représente une étape du processus de traitement de l'eau. Au cours d'un "test en bocal", différentes doses de coagulants et de floculants sont ajoutées dans les béchers afin de simuler les conditions réelles de traitement.

Procédure du Jar-test

En fonction du coagulant à doser, le pH de la décharge est ajusté et l'agitateur est mis en marche pour l'homogénéiser.

Le réactif choisi est ensuite ajouté, en commençant par de petites doses, qui peuvent être augmentées jusqu'à ce que l'on observe la présence de petits flocs. L'agitation se fait à grande vitesse.

On dose ensuite le floculant sélectionné, qui peut être cationique, anionique ou non ionique, en fonction de la polarité attendue dans l'ensemble des coagulats obtenus. Les floculants doivent être très dilués (environ 0,1%) en raison de leur viscosité élevée et de leur faible dosage.

Il est habituel de fournir plus de coagulant (10 - 20 ppm) que de floculant (0,5 - 2 ppm).

Dans la floculation, l'agitation doit être lente pour éviter de casser les flocs formés.

La consistance et la densité des flocs formés, qui se déposeront au fond du récipient, sont observées.

Équipement de test de jarre pour les tests de coagulation et de floculation

Il est normal d'effectuer plusieurs essais avec différents coagulants et floculants pour optimiser le processus.

L'aspect du floc formé peut nous donner une idée du meilleur procédé de séparation à appliquer. Si le floc est dense et précipite facilement, la décantation peut être le procédé le plus approprié, tandis que s'il a du mal à précipiter ou est très spongieux ou gras, la flottation serait la technologie la plus appropriée. Dans tous les cas, il ne s'agit que d'une première indication à prendre en compte pour définir la ligne de traitement la plus adaptée.

4. Séparation des colloïdes par flottation DAF

Un système de flottation à l'air dissous (DAF) est une technologie très efficace pour le traitement des eaux usées contenant des colloïdes, une fois coagulés et floculés.

La DAF est un procédé de clarification qui utilise des microbulles d'air pour séparer les particules colloïdales et les solides en suspension de l'eau. Il est basé sur la capacité des bulles d'air à s'attacher aux microparticules solides et à les soulever à la surface, formant une mousse flottante. Un système DAF est particulièrement efficace pour éliminer les huiles, les graisses, les solides en suspension et les matières floculantes.

Dans un flottateur DAF, l'eau contaminée est introduite dans un réservoir de flottation, dans lequel des microbulles d'air prépressurisé sont injectées. Ces microbulles se dilatent dans le liquide et adhèrent aux particules colloïdales, qui flottent à la surface et forment une couche de mousse qui est aspirée dans une trémie par un système de balayage mécanique.

Par rapport au processus de sédimentation conventionnel, la clarification au moyen d'un flotteur DAF offre des avantages importants, tels qu'une élimination très élevée du total des solides en suspension, des huiles et des graisses (≥95%), et une concentration en MS dans la boue de l'ordre de 3 - 4%, par rapport au 1% habituellement atteint dans le processus de sédimentation.

Avec la demande croissante de procédés facilitant la réutilisation des eaux usées, la technologie DAF a été largement adoptée en raison de son efficacité à clarifier l'eau qui doit être traitée ultérieurement par des technologies de filtration membranaire.

Le processus de filtration membranaire est une méthode physique permettant de séparer des molécules de tailles et de caractéristiques différentes. Il repose sur l'utilisation de membranes à perméabilité sélective pour répartir les composants dans deux flux différents. Le transport à travers la membrane s'effectue sous l'action d'une force motrice, telle qu'un gradient de potentiel électrique, de concentration ou de pression.

Parmi les opérations de séparation par membrane, on peut citer

• Filtration: utilise des membranes avec des pores de différentes tailles pour séparer les particules en fonction de leur taille.
• Microfiltration (MF): une faible pression est utilisée pour séparer les particules de poids moléculaire élevé, les colloïdes en suspension ou les solides dissous.
• Ultrafiltration (UF): permet de séparer les macromolécules et les colloïdes.              
• Dialyse: Utilisation de membranes semi-perméables pour éliminer les substances indésirables d'une solution.

Le graphique suivant montre les plages de filtration fournies par les différents types de membranes, ainsi que l'influence négative des matières colloïdales, qui provoquent l'encrassement et le colmatage des membranes.

Le SDI (Silt Density Index) ou FoulingIndex est utilisé pour mesurer l'efficacité d'un système de séparation des matières en suspension. Le calcul consiste à faire passer un flux d'eau analysée à travers un filtre de 0,45 micron et 47 mm de diamètre, situé à l'intérieur d'un support spécifique, à une pression constante (2,1 bar). Dans ce test, on mesure le temps nécessaire pour remplir un récipient de 500 cc, avant et après avoir laissé passer l'eau à travers le papier filtre pendant 15 minutes.

Index SDI = (100 * (1 - _(t1 / _t2)) / T

Où t2₌ heure de fin en secondes, t1₌ heure de fin en secondes et T = durée de la mesure en minutes.

Une valeur SDI appropriée pour alimenter les membranes UF est de 5 (environ 1 NTU), tandis que pour les membranes NF et OI, les valeurs ne doivent pas dépasser SDI = 3 (environ = 0,1 NTU). Des membranes spéciales (FR= Fouling resistance) sont maintenant disponibles pour les eaux usées qui tolèrent des valeurs SDI plus élevées (environ SDI = 4 - 5) et des concentrations élevées de DCO dissous.

5. Conclusion

Les matières en suspension (MES) sont les polluants les plus courants dans les eaux usées. Beaucoup de ces solides sont dispersés sous forme colloïdale, de sorte qu'ils ne précipitent pas et ne sont pas séparés par une simple filtration. Dans ce cas, il est nécessaire de recourir aux processus de coagulation et de floculation afin de les déstabiliser et de former des flocs de taille et de caractéristiques appropriées pour leur séparation.

Les technologies utilisées pour clarifier les eaux usées sont généralement la décantation et la flottation. La flottation DAF est plus efficace que les procédés de sédimentation conventionnels et nécessite moins d'espace pour sa mise en œuvre. La MS des boues séparées par DAF est beaucoup plus élevée que la MS obtenue par sédimentation, de sorte qu'elle est considérée comme plus appropriée pour la réutilisation de ces eaux usées, qui doivent ensuite être soumises à un traitement membranaire.

Bibliographie et consultations

La technologie DAF appliquée dans l'industrie papetière pour le recyclage des eaux usées - News - Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co., Ltd (gyeclarifier.com)

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