Traitement des eaux

CONSULTANTS EN TRAITEMENT D’EAU
WATER TREATMENT CONSULTANTS
Bulletin technique
Théorie de la coagulation et la floculation
Lorsque des particules ou des substances chimiques sont mises en solution, il y a alors formation
de charges électrocinétiques à l’interface entre les particules et le liquide. La charge peut être
positive ou négative selon la nature des particules mais généralement, les particules sont de
charges négatives en solution aqueuse. Autour de la particule, il y a formation d’une première
couche d’eau, très dense et possédant sa propre charge électrique, appelée la couche de Stern.
Cette couche est recouverte d’une seconde couche d’eau plus diffuse appelée couche de GouyChapman (voir illustration ci-jointe). On appelle potentiel zêta, la différence entre les charges
des couches de Stern et de Gouy-Chapman. Plus la charge de la particule sera grande, plus
l’épaisseur des couches d’eau de Stern et de Gouy-Chapman sera importante.
Gouy-Chapman Layer
-+ - +-+ +
+ +- ++ +
+ +
+ +
- -+
+
+
+
+
+ +
-
Stern Layer
Figure 1
Illustration des couches autour d’une particule négative en solution.
Le processus permettant à deux particules de s’agglomérer s’appelle coagulation. Pour que deux
particules s’attirent entre elles, les forces attractives (les liaisons intermoléculaires de London,
Debye et Keeson) doivent être supérieures aux forces répulsives (majoritairement la répulsion
coulombique et l’encombrement causé par les couches de Stern et de Gouy-Chapman). Étant
donné que les forces attractives ne sont effectives qu’à très courte distance (10-6 m et moins),
l’épaisseur des couches et le potentiel zêta aura un impact majeur sur la facilité de coaguler les
particules. La coagulation est généralement à son maximum d’efficacité lorsque le potentiel zêta
est près de zéro. Elle diminue si on dépasse (côté négatif ou positif) le potentiel zêta. Lorsqu’il y
a coagulation, il y a alors formation en solution de petits agglomérats appelés "pin flocs".
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On nomme demande cationique, la quantité de charges positives (ou le volume de coagulant
cationique) qu’il faut ajouter à une solution pour neutraliser les charges négatives à la surface des
particules. Plus la demande cationique est importante, plus la solution est difficile à coaguler et
inversement lorsque la demande cationique est faible. Si la coagulation est difficile, il devient
alors difficile de clarifier la solution et d’éliminer les substances indésirables. La demande
cationique augmente généralement avec le pH et la température. Par exemple, j’ai déjà observé
sur une eau de procédés qu’en passant d’un pH de 6.5 à un pH de 9.3, la quantité de coagulant de
type polyamine requise pour neutraliser la solution est passée de 20 ppm à plus de 200 ppm! La
demande cationique peut être évaluée avec un appareil appelé analyseur de charges des
particules. Les fabricants les plus connus sont Mütek et Testing Machines Inc. ou TMI.
Il existe sur le marché plusieurs types de coagulants organiques et inorganiques qui sont
efficaces dans différents domaines de pH et de température. La sélection du coagulant adéquat
est une tâche difficile. Les coagulants à base de fer comme le sulfate ferrique et le chlorure
ferrique sont peu dispendieux et relativement efficaces. Par contre, ils font diminuer
sensiblement le pH et ils laissent généralement une teinte couleur rouille dans l’eau après
traitement. Le sulfate d’aluminium ou alun est coagulant peu dispendieux mais efficace à un pH
compris entre 4.0 et 5.5 puis en milieu alcalin de 9.5 à 11.0. Il affecte moins le pH que les
produits à base de fer mais il demeure très acide. Le sulfate d’hydroxyde de chlorure
d’aluminium (PAC) est un coagulant à base d’aluminium généralement nettement supérieur à
l’alun ou les coagulants à base de fer. Il est efficace sur une plage de pH plus étendue que l’alun
soit de 4.5 à 9.5. Il affecte beaucoup moins le pH. Typiquement, il faut un dosage 3 fois moins
important de PAC pour obtenir les mêmes résultats qu’avec l’alun. Le chlorhydrate d’aluminium
est un produit très efficace, qui affecte très peu le pH mais qui est beaucoup plus dispendieux que
la PAC ou l’alun. La silice et la bentonite sont des produits utilisés dans des applications plus
particulières. La bentonite réduit généralement davantage la demande chimique en oxygène que
les autres coagulants.
Les poly-dadmac sont des polymères de très grande masse molaire mais qui sont moyennement
chargés. Lorsqu’ils sont utilisés en association avec les coagulants inorganiques dans une
proportion de 30 :1 20 :1, ils permettent de réduire parfois le dosage d’un facteur 3
comparativement à l’utilisation du coagulant inorganique seul. Les polyamines sont des
polymères fortement chargés efficaces sur une grande plage de pH. Finalement, les poly-imines
sont des polymères dont la charge cationique diminue sensiblement lorsque le pH excède 7.0. Ils
sont généralement utilisés à des pH compris entre 4.0 et 6.5.
La coagulation est un processus extrêmement important. En s’agglomérant entre elles, les
particules réduisent leur surface de contact avec la solution ainsi que leur énergie de surface. Plus
l’énergie de surface est faible, plus le liquide peut facilement circuler entre les particules. Voici
un exemple qui permet d’illustrer le processus. Si on utilise une terre dont les gravats sont de
tailles très petites (1 mm3 et moins), cette terre est alors imperméable parce que l’eau ne réussit
pas à circuler entre les gravillons due à l’énergie de surface. Par contre, si on utilise une terre
dont la taille des gravats est plus importante (10 mm3 et plus), alors cette terre draine très bien. Si
la coagulation est bonne (demande cationique faible), la solution peut être beaucoup plus
facilement clarifiée et nettoyée des substances indésirables.
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La floculation ou macro-coagulation consiste à grossir davantage le "pin floc" pour former des
agglomérats appelés flocs. En grossissant la taille du "pin floc", on favorise sensiblement la
séparation de ces particules du milieu aqueux, que ce soit par flottation, par décantation ou par
filtration. Pour obtenir une floculation, on utilise des substances appelées floculants. Il existe sur
le marché des floculants anioniques (chargés négativement), cationiques (chargés positivement)
et neutres (pratiquement sans charge). Ces floculants sont en fait des macromolécules (ou
polymères) qui, par leur taille, leur charge et leur particularité chimique permettent de ramasser
le "pin floc" pour en faire un floc qui peut être petit, moyen ou gros selon l’efficacité du
floculant et les conditions en solution.
Quelques notions de chimie
On définit la demande biochimique en oxygène comme la quantité d’oxygène consommée par
une population de micro-organismes après une période déterminée. Généralement, elle est
mesurée après 5 jours de culture. Elle est généralement indiquée dans la littérature par le sigle
DBO5. Elle est exprimée en partie par million ou ppm. Ce paramètre permet d’évaluer le travail
que devra effectuer le traitement biologique pour libérer l’eau de sa matière organique
assimilable par les micro-organismes. Ce paramètre peut aussi servir à évaluer la pression
exercée sur le vieillissement (eutrophisation) d’un cours d’eau : lac, rivière, fleuve ou étang.
La demande chimique en oxygène ou DCO permet d’évaluer la quantité d’oxygène consommée
par une solution dans des conditions d’oxydation chimique complète. Tout comme la DBO5,
cette mesure est exprimée en partie par million (ppm). Cette mesure offre l’avantage d’être
réalisable à l’intérieur de 2 à 3 heures après la prise de l’échantillon. Lorsqu’un effluent est bien
caractérisé et stable, on peut alors observé une relation entre la DCO et la DBO5. Plusieurs usines
de pâtes et papiers entres autres effectuent la mesure de la DCO pour évaluer approximativement
leur DBO5. Typiquement, la DBO5 à l’effluent de ces usines est 8 à 12 fois inférieure à celle de
la DCO.
Simulation du traitement de l’eau
Pour déterminer la chimie à employer pour traiter l’eau, il faut effectuer des essais de simulation
en pots ou jar test. Le test en pots permet de déterminer le coagulant et le polymère offrant le
meilleur rapport qualité versus prix. Le jar test peut nous aider aussi à identifier les meilleurs
points d’injection des produits chimiques. En effet, on doit idéalement mesurer le temps requis
pour obtenir la coagulation ainsi que la floculation. J’ai déjà trait des eaux dont le coagulant
fonctionnait très bien mais à condition de laisser le coagulant travailler pendant 45 secondes
avant d’injecter le floculant. La température peut affecter grandement le temps de coagulation.
Une papetière dans l’Outaouais utilisait de l’alun comme coagulant. Or, lorsque l’hiver arrivait,
l’usine perdait le traitement de l’eau fraîche tout simplement parce que la température de l’eau
faisait passer le temps de coagulation de 5 secondes à 30 secondes. Il faut donc en tenir lorsque
arrive le moment de sélectionner le point d’injection du coagulant.
Lorsqu’ils sont fraîchement préparés, les floculants prennent généralement 20 à 30 minutes pour
être pleinement activés. Une solution de polymère qui a plus de 24 heures devrait être jetée puis
refaite. J’ai observé une baisse de 10 à 15% de l’efficacité des polymères par jour de
préparation. Tout comme les coagulants, il faut minuter le temps de formation du floc. On peut
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ensuite le grader en fonction de sa taille, de sa force et de sa capacité de couler ou de flotter selon
la méthode de séparation employée.
Pour qualifier la qualité du traitement en pots, on peut avoir recours à des mesures de turbidité,
de mesures des matières en suspension ou de demande chimique en oxygène. Certaines
combinaisons de coagulants et de polymères peuvent donner des résultats équivalents de
turbidité mais la DCO peut être parfois nettement moindre avec une combinaison en particulier.
Éric Lepage, M.Sc. chimie
Directeur technique
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