Traitements Physico-chimiques de La Pollution Insoluble

Traitements physico-chimiquesde la pollution insoluble Jean-Claude BOEGLIN Ingénieur chimiste, Docteur ès sciences Ancien Directeur de l’Institut de recherches hydrologiques (IRH)-environnement, Nancy Conseiller scientifique de l’Institut de promotion industrielle (IPI)-environnement industriel, Colmar Expert International du NANCIE (Centre international de l’eau de Nancy) 1. Objet des traitements physico-chimiques......................................... 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Prétraitements .......................................................................................... Dégrillage ..................................................................................................... Tamisage ...................................................................................................... Dessablage ................................................................................................... Déshuilage – dégraissage ........................................................................... Autres traitements préliminaires................................................................ G 1 270 - 2 — — — — — — 3 3 3 4 4 5 3. 3.1 3.2 3.3 Clarification ............................................................................................... Techniques de traitement étudiées ............................................................ Techniques de destruction de l’état colloïdal ............................................ Techniques de séparation des insolubles .................................................. — — — — 6 6 6 11 4. 4.1 4.2 Efficacité des installations de traitements....................................... Considérations générales ........................................................................... Exemples de réalisations industrielles ...................................................... — — — 17 17 17 Références bibliographiques ......................................................................... — 20 es activités industrielles génèrent selon le ou (les) types de fabrication des rejets polluants continus ou discontinus d’une extrême diversité. Ces rejets par opposition aux eaux usées domestiques présentent des caractéristiques physico-chimiques très variables qui peuvent fluctuer notablement en cours de journée, d’une semaine à l’autre, voire de façon saisonnière pour certaines fabrications. On a affaire à des mélanges de composition hétérogène, qui renferment des matières organiques et minérales à l’état insoluble ou en dissolution, dont certaines peuvent avoir un caractère toxique plus ou moins marqué. La dépollution des rejets industriels, compte tenu de leur hétérogénéité de composition, conduira toujours à la conception d’une chaîne de traitements assurant par étapes successives l’élimination – en fonction des objectifs visés pour la qualité de l’eau traitée – des différents polluants que renferment les eaux résiduaires industrielles (ERI). On procède tout d’abord à des traitements assurant l’élimination de la pollution insoluble, constituée de particules solides plus ou moins finement dispersées et de substances liquides non miscibles à l’eau (huiles, hydrocarbures) à l’état libre et/ou plus ou moins émulsionné. C’est l’objet des traitements physico-chimiques qui ne constituent, souvent, qu’une étape de la chaîne de traitements des rejets industriels. Dans cet article, nous procéderons : L Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Environnement G 1 270 − 1 TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE _____________________________________________________________________________ — à l’inventaire puis à un rappel sommaire des principes généraux des différentes méthodes de traitement par voie physico-chimique applicables aux rejets industriels ; — à la description des technologies de traitement des différents procédés assurant l’élimination de la pollution insoluble, en situant les critères de dimensionnement, les performances pouvant être obtenues et les domaines d’applications industrielles. L’étude complète du sujet comprend les articles : — G 1270 - Traitements physico-chimiques de la pollution insoluble (le présent article) ; — G 1271 - Traitements physico-chimiques de la pollution soluble. 1. Objet des traitements physico-chimiques et les dimensions constitueraient une gêne pour les étapes ultérieures du traitement ; — des traitements physico-chimiques de clarification qui assurent une séparation physique généralement solide-liquide, dans le but de retenir au maximum les insolubles présents dans les eaux résiduaires. La quasi-totalité des rejets industriels renferment dans des proportions très variables des insolubles : Dans le vocabulaire du traiteur d’eau, l’élimination des matières en suspension décantables, habituellement par sédimentation fait l’objet du traitement primaire. — particules solides plus ou moins dispersées ; — liquides non miscibles à l’eau à l’état libre ou en émulsion. Ces composés, responsables de la turbidité et de la coloration des rejets, diffèrent de par leur nature (organique ou minérale) et de par leurs caractéristiques, en particulier la densité et la granulométrie qui peuvent varier très largement. On notera que ces traitements physico-chimiques ne constituent dans la majorité des cas, qu’une étape de la chaîne de traitements des rejets industriels. Ils sont mis en œuvre généralement : — soit en amont d’une épuration biologique, avec pour objet outre l’élimination des matières en suspension, une réduction concomitante de la pollution organique (DCO, DBO5) des rejets qui correspond aux insolubles séparés de l’eau ; — soit en aval d’une épuration biologique dans le cadre d’un traitement tertiaire de finition dont l’objet est d’améliorer la qualité de l’eau traitée avant rejet dans le milieu récepteur. La figure 1 indique en fonction de la taille approximative des éléments insolubles, les différents traitements physico-chimiques applicables aux rejets industriels. D’une manière générale, tout traitement de dépollution assurant l’élimination des insolubles, comporte : — des traitements préliminaires ou prétraitements qui consistent en un certain nombre d’opérations mécaniques et physiques destinées à extraire de l’eau le maximum d’éléments dont la nature Tamisage - Dégrillage Coagulation - Floculation - Décantation Flottation Nanofiltration Filtration Osmose inverse Microfiltration Ultrafiltration Dimension de la particule 0,1 nm 1 nm Matières dissoutes (sels, ions, protéines) 10 nm 100 nm Matières colloïdales Argiles 1 µm 2 µm 10 µm 20 µm 100 µm 200 µm 1 mm 2 mm Mati Matières en suspension Limons Sables Fin Moyen 1 cm Gros Virus Bactéries Pollen Plancton Figure 1 – Traitements physico-chimiques applicables aux rejets industriels G 1 270 − 2 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Environnement Son principe est extrêmement simple. Les grilles droites dont le champ de grille est généralement incliné de 80˚ sur l’horizontale et dont le dispositif de nettoyage est du type à râteau ou à grappin alternatif. ■ Les grilles mécaniques à nettoyage par l’aval sont équipées de râteaux peignes. dont l’application aux prétraitements des eaux résiduaires est très limitée en raison d’un colmatage trop rapide.1 Tamis à lavage par eaux sous pression 2. ■ Grilles à nettoyage par l’amont Les grilles courbes (figure 2) avec un ou deux bras diamétraux rotatifs de nettoyage.1 Microtamis rotatif Installé dans un canal construit en béton.1 Dégrillage Il permet de séparer les matières volumineuses.6 et 1 m/s. 2. puisqu’il consiste à faire passer l’eau brute à travers des grilles composés de barreaux placés verticalement ou inclinés de 60 à 80˚ sur l’horizontale. Par contre. c’est le cas en particulier : — des filtres cyclones à entrée tangentielle supérieure. constitués par une toile d’acier inoxydable ou de bronze.1.2. On distingue classiquement. Le nettoyage des grilles est réalisé généralement de façon automatique par un dispositif mécanique agissant en amont ou en aval du champ de la grille. à mailles comprises entre quelques dixièmes de millimètres et plusieurs millimètres . des débris végétaux et animaux et les fibres comme dans l’industrie papetière. Ils sont constitués d’un ensemble d’opérations physiques et mécaniques : dégrillage. traité Environnement G 1 270 − 3 . 2.2. Le tamisage se fait de l’intérieur vers l’extérieur du tambour ou inversement (figure 3). selon la dimension des mailles de la toile. 2. on peut distinguer différents types de tamis. avec éjection automatique des détritus dans une goulotte de réception.2 Filtres mécaniques Peigne Groupe d'entraînement Contrepoids basculant pour commande de l'éjecteur Éjecteur Différents constructeurs industriels proposent des filtres alimentés par pompage dans une gamme de débits allant de quelques m3/h jusqu’à 5 000 m3/h. Prétraitements Les prétraitements sont destinés à séparer des eaux résiduaires : — les matières solides volumineuses risquant d’obstruer les canalisations de l’installation de traitement . hydrocarbures) non miscibles à l’eau et généralement moins denses qu’elle. à commande par câbles. partiellement immergé dans les eaux résiduaires à traiter. qui est destiné à retenir les particules supérieures à 200 µm et le microtamisage. qui retient les particules plus petites. La vitesse moyenne de passage de l’eau entre les barreaux est comprise entre 0. Déversoir Déflecteur Eau brute à tamiser Racleur Caisson de répartition Grille courbe Figure 2 – Grille mécanique courbe Liquide tamisé Filtre rotatif Déchets Figure 3 – Tamis rotatif filtrant Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. tamisage. le macrotamisage est souvent utilisé dans le prétraitement de certaines eaux résiduaires industrielles. dessablage. pour séparer des matières flottantes diverses.2 Tamisage Le tamisage assure un dégrillage poussé par filtration des eaux brutes sur toile. Le fonctionnement du dispositif de nettoyage peut être commandé par une temporisation ou/et à partir d’un indicateur de perte de charge différentiel. équipées de râteaux (éventuellement de brosses sur des grilles très fines). L’espacement des barreaux varie de 10 à 100 mm.2. Selon les dispositifs de nettoyage et d’extraction des déchets. avec tamis filtrant cylindrique en acier inoxydable.1. tendues sur un cadre métallique. 2. — les matières flottantes et les polluants liquides (huiles._____________________________________________________________________________ TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE 2. permettant d’obtenir une grande hauteur de relèvement des détritus. © Techniques de l’Ingénieur. treillis ou tôle perforée. elles peuvent traiter des eaux chargées. l’appareil se présente sous la forme d’un tambour cylindrique à axe horizontal. montés sur chaînes sans fin. déshuilagedégraissage dont la mise en œuvre est largement dépendante de la nature et des caractéristiques des rejets industriels à traiter et aussi de la ligne de traitement prévue en aval [1] [5]. Ce tambour est formé par une succession de panneaux filtrants. On distingue deux types de grilles. Les eaux de lavage véhiculant les déchets retenus (à des concentrations en matières solides pouvant atteindre 10 g/L) devront faire l’objet d’un traitement séparé. à mailles plus ou moins fines [7]. le macrotamisage. — les dessableurs circulaires. laquelle. On insuffle de l’air qui provoque une rotation de liquide et crée ainsi une vitesse constante de balayage du fond. Les tamis statiques et les tamis rotatifs permettent de traiter des débits de l’ordre de 10 à 1 000 m3/h suivant le type et la finesse de tamisage désirée. Les matières retenues sur la grille sont récupérées par un racleur fixe et évacuées. 2. soit directement par pompe suceuse montée sur pont roulant. 2. beaucoup plus faible. permettant une séparation efficace des matières flottantes et en suspension dans les rejets industriels. Sur le plan technologique on distingue : — les dessableurs couloirs (à écoulement rectiligne). Une granulométrie inférieure sera du ressort de la décantation.4 Déshuilage – dégraissage Ces opérations concernent bon nombre d’eaux résiduaires issues des industries alimentaires (charcuteries. L’eau est répartie à la partie supérieure de la grille. © Techniques de l’Ingénieur. Ces matières sont de nature très diverses et leur quantité s’estime par la mesure des « matières extractibles par Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. qui tourne lentement. d’égouttage et d’évacuation des matières solides (figure 4). Les tamis statiques comportent une grille constituée par des barrettes horizontales en acier inoxydable. et notamment pour les industries métallurgiques ou mécaniques. Arrivée d'eaux brutes Canal de sortie Figure 5 – Dessableur circulaire à alimentation tangentielle 2. en porcelaine ou en treillis d’acier inoxydable (orifices ou maille de 0. en fonction de la dimension des mailles. dans certains cas. peut couvrir des gammes de débits de 50 à 5 000 m3/h. Il peut devenir indispensable lorsque les usines sont desservies par un réseau unitaire. les graviers. Le nettoyage est réalisé par passage des corps filtrants devant une lumière isolée qui délivre vers l’extérieur par contre-courant l’eau et les déchets. Le sable est extrait soit mécaniquement par raclage vers un poste de réception. droite ou incurvée. Le domaine usuel du dessablage porte sur les particules supérieures à 200 µm. abattoirs. et à protéger les pompes contre l’abrasion. peut alors être variable sans inconvénient.6 mm). les sables et autres matières minérales denses de façon à éviter les dépôts dans les conduites et canaux.3 Tamis à chaîne filtrante à autonettoyage continu Breveté sous la dénomination « Aqua Guard ».2. La chaîne filtrante assure à elle seule les deux fonctions d’arrêt et de relèvement des déchets récupérés sur un convoyeur ou dans un conteneur. Les tamis rotatifs comportent une grille cylindrique à axe horizontal. margarineries huileries. muni d’un pont roulant servant simultanément à racler dans le fond les matières déposées et à écrémer en surface par pompe suceuse les matières flottantes. puis repris par pompage. mais aussi des raffineries de pétrole et les industries mécaniques [1] [3]. La technique de tamisage.2 Tamis à évacuation mécanique des déchets Eau sous pression Les tamis autonettoyants statiques ou rotatifs sont utilisés en général sur des eaux résiduaires d’industries alimentaires et parfois aussi sur d’autres rejets industriels. en heures creuses. Elle se nettoie elle-même mécaniquement de façon à présenter à l’effluent brut une surface de filtration toujours propre. fixés sur un dispositif tournant. les fonctions de dessablage et de déshuilage dans un même ouvrage.3 Dessablage Le dessablage a pour but d’extraire des rejets industriels. dont l’inclinaison sur l’horizontale diminue progressivement de haut en bas de 65 à 45˚ environ. — les dessableurs rectangulaires à insufflation d’air. la grille. fabriques de conserves de viande. perpendiculaire à la vitesse du transit. à brassage mécanique ou à insufflation d’air (pour éviter le dépôts de matières organiques. avec faible débit) .1 à 1. On peut combiner.TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE _____________________________________________________________________________ — des filtres rotatifs à nettoyage continu. etc. traité Environnement . à alimentation tangentielle (figure 5). Canal d'entrée Air comprimé 2. On obtient ainsi successivement les effets de séparation.2.). Filtrats Déchets solides Figure 4 – Tamis statique type Hydrasieve G 1 270 − 4 On peut considérer que le déshuilage-dégraissage se rapporte à l’extraction de toutes matières flottantes d’une densité inférieure à celle de l’eau. Ces ouvrages sont calculés pour des temps de séjour d’environ 3 à 5 min. en barrettes d’acier inoxydable de section trapézoïdale. de conception originale. avec corps filtrants démontables. combine les éléments filtrants en une chaîne articulée. et une charge hydraulique superficielle de décantation de l’ordre de 50 m3 d’eau par mètre carré de surface et par heure. dont la vitesse d’écoulement est variable ou constante . de section triangulaire. peut être assu- rée par une séparation gravitaire à l’aide de déshuileurs à plaques parallèles PPI (Parallel Plate Interceptor) dans lesquels les gouttelettes d’huile n’ont à parcourir. dans le cas d’émulsions huileuses stables. Ce type d’ouvrage est calculé pour une vitesse ascensionnelle de 15 m3/(m2 · h) maximum et des temps de séjour de 8 à 15 min. qu’un court chemin. laiteries.5 Autres traitements préliminaires 2.1 Homogénéisation. de réactifs coagulants du type sel de fer ou d’aluminium). Plusieurs compartiments peuvent être associés en séries. Le débit d’air insufflé est de l’ordre de 0. Dans l’industrie pétrochimique. comportant un raclage de fond et de surface par raclettes montées sur chaînes sans fin. Les huiles et les graisses. avant d’être captées. Il convient de noter que. etc. La teneur de certains rejets industriels (abattoirs._____________________________________________________________________________ TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE Groupe motoréducteur du dispositif de raclage Dispositif de raclage Colonne de manœuvre de la vanne de vidange Colonne de manœuvre de la vanne de vidange Béduwé (relèvement de l'eau) Tapis transporteur des graisses Arrivée des eaux brutes By-pass Dispositif de raclage Béduwé (relèvement de l'eau) Évacuation des eaux sur la station Dispositif de raclage Vanne de vidange Aération par dômes poreux Figure 6 – Ouvrage longitudinal aéré de dégraissage et déshuilage (Degrémont) solvants ». par ailleurs ces matières peuvent former une émulsion stable entretenue par le brassage de l’eau ou constituer une phase indépendante non émulsionnée. lorsqu’elles ne sont pas émulsionnées sont séparées sous forme de boues flottantes dans des ouvrages longitudinaux ou circulaires comportant une zone d’aération où les bulles d’air augmentent la vitesse de montée des particules grasses et une zone de tranquilisation où s’effectue la récupération (figure 6). si au préalable on n’assure pas le « cassage » de l’émulsion par des moyens chimiques (addition d’acides forts. on utilise avec succès les séparateurs API (American Petroleum Institute) constitués de bassins rectangulaires à circulation longitudinale. limité par l’espacement entre les plaques (variable de 20 à 100 mm) [3]. © Techniques de l’Ingénieur. car bon nombre d’opérations constituant le process de fabrication sont discontinus.5. 2. dans le cas d’eaux chargées en hydrocarbures. Ces dispositifs présentent une grande compacité et une bonne efficacité sur les gouttelettes fines d’eaux résiduaires moyennement chargées en hydrocarbures. égalisation des débits et des charges polluantes La composition et le débit des rejets industriels varient beaucoup en fonction du temps. si l’émulsion n’est pas trop fine (particules supérieures à 50 µm). traité Environnement G 1 270 − 5 .3 m3 par mètre cube d’eau et par heure. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. L’élimination de matières huileuses émulsionnées.) peut atteindre des valeurs de 300 à 500 mg/L . la séparation des hydrocarbures ne peut être réalisée. les autres étant attirés. Il va finalement s’établir une distribution spatiale constituant une double couche ionique à l’interface solide-liquide assimilable à un condensateur moléculaire dont une armature est formée d’ions adhérant fortement à la paroi (partie fixe) tandis que l’autre constituée d’un nuage d’ions diffus est mobile (couche diffuse). sels d’ammonium) est une pratique courante pour faciliter le traitement biologique de rejets industriels organiques carencés en azote et en phosphore. présentant une grande affinité pour l’eau. et même au-delà. Il s’avère cependant que ces techniques. en pratique. il faudrait étendre ce domaine jusqu’à 10 µm.TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE _____________________________________________________________________________ Pour faciliter les traitements ultérieurs et optimiser le dimensionnement des installations. ces bassins de niveau éventuellement variable sont brassés impérativement et aérés si la pollution est organique. qui engendre une répulsion mutuelle prévenant toute agglomération.2 Stabilité colloïdale des suspensions aqueuses Notons par ailleurs que l’adjonction d’éléments nutritifs (acide phosphorique.2. Il conviendra. le cas typique étant celui des argiles. 3. traité Environnement . Cette charge électrique peut résulter soit de l’ionisation du matériau solide suivant un équilibre physico-chimique de dissociation.1 Nature de la pollution colloïdale Bien qu’il n’existe pas de taille limite très nette entre les particules en suspension grossières et les particules colloïdales « vraies ».2. © Techniques de l’Ingénieur. des savons. Elle peut enfin être due à l’adsorption spécifique de certains composés organiques. La cinétique d’une neutralisation par des acides où la soude s’avère beaucoup plus rapide (temps de contact maximum de 5 min) qu’avec de la chaux (temps de contact pouvant atteindre 1 h). sinon quelques jours. On utilise pour cela des bassins d’homogénéisation. tels que  COOH . pour tenir compte des particules qui ne sédimentent pratiquement pas par suite de phénomènes parasites (turbulences. Elle met en jeu des automates de régulation du pH. etc. phosphates solubles.1. qui portent des groupements  COOH partiellement dissociés. courants de convection. la régularisation du débit hydraulique et de la charge polluante est souvent recherchée [2]. Ce mode d’action n’intervient le plus souvent que concurremment vis-à-vis de l’un ou de l’autre des deux mécanismes envisagés précédemment.2 Hydratation de la surface du solide Dans le cas des colloïdes hydrophiles. des détergents synthétiques.5. Le concept de la double couche ionique a permis d’exprimer dans la pratique l’importance des forces répulsives de nature électrostatique par la mesure du potentiel électrocinétique de Freundlich ou potentiel zêta. une pellicule d’eau se trouve fortement fixée à la surface de la matière solide par suite d’interactions entre la surface chargée électriquement et les molécules d’eau de caractère dipolaire. on définit généralement celles-ci comme ayant un diamètre compris G 1 270 − 6 3.2 Techniques de destruction de l’état colloïdal 3.1 Facteurs de stabilisation 3. qui mesure la charge électrique superficielle des colloïdes [12] [13] [14]. 2. .1. On classe généralement les colloïdes en deux catégories suivant leur comportement vis-à-vis du milieu aqueux : — les colloïdes hydrophiles. La charge superficielle peut également résulter de la présence de minéraux chargés électriquement par substitution d’ions de valence différentes. C’est le cas des protéines. 3. fondées sur des actions purement physiques. se révèlent mal adaptées et parfois inapplicables dans le cas de l’élimination des particules solides finement dispersées ou à l’état colloïdal. La neutralisation pratiquée en amont d’un traitement biologique est indispensable si on veut éviter l’intoxication de la biomasse épuratrice. et dont les particules sont entourées par une enveloppe de molécules d’eau fixées. Nota : nous rappellerons par ailleurs que les particules d’un système colloïdal sont soumises à des interactions interparticulaires pouvant se traduire par des attractions (forces de déstabilisation) et des répulsions (forces de stabilisation) dont il conviendra d’évaluer la résultante [6] [8].2. urée. la totalité des effluents produits par une unité ou par toute une usine. 3. — les colloïdes hydrophobes. Clarification 3.2 Prétraitements chimiques entre 1 nm à 1 µm. Il s’établit un arrangement particulier des molécules d’eau en une couche d’hydratation qui s’oppose à un rapprochement étroit des Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. Ils permettent d’écrêter les pointes de débit et de charges polluantes nuisibles au fonctionnement régulier de la chaîne de traitement située en aval qu’elle soit physico-chimique ou biologique. Leur stabilité est due à la charge électrique portée par les particules. C’est le cas des protéines. Il s’agit de répulsions interparticulaires. dont la matière n’a aucune affinité pour l’eau.2. il s’agira de séparer des matières solides particulaires ou matières liquides non miscibles à l’eau avec pour objectif d’assurer la clarification des rejets.). à certains groupements de la matière solide. les ions de cette solution vont être affectés par un champ de forces électrostatiques : les ions chargés de même signe que la paroi du solide seront repoussés par celle-ci. etc.2.2. Selon les cas. avec un ajustement automatique du taux de réactif (acide ou basique) en fonction d’une valeur de consigne (pH entre 6 et 8).  NH 2 ou  OH . Lorsque la surface du solide. chargée électriquement se trouve au contact d’une solution aqueuse d’électrolytes. En fait.2. Dans ce cas. sorte de capacités tampons placées en tête d’installation qui stockent pendant quelques heures.2. par des liaisons physico-chimiques. dues à l’existence d’une charge électrique portée par la phase solide à son contact avec le milieu aqueux. ce sont donc les ions [H+] et [OH−] qui déterminent le potentiel superficiel.1 Interactions de nature électrostatique Ces phénomènes jouent un rôle prépondérant dans la stabilité des colloïdes hydrophobes. Ce sera l’objet des techniques de coagulation et de floculation que nous examinerons tout d’abord avant d’étudier les procédés de séparation eux-mêmes. d’assurer au préalable la rupture de l’état colloïdal et de favoriser l’agglomération mutuelle des particules pour leur donner une taille et des caractéristiques physiques permettant leur séparation.1 Techniques de traitement étudiées Les traitements physico-chimiques constituent des techniques de choix pour l’élimination de la pollution insoluble ou rendue insoluble par des traitements chimiques préalables adéquats (précipitation) [1] [4]. 3. la quasi-totalité des cations trivalents ajoutés au milieu pour provoquer la coagulation se trouve précipitée sous forme d’hydroxydes insolubles.3. dont l’hydrolyse se traduit par la formation d’un précipité floconneux à forte surface spécifique.5.2).3 Action des hydroxydes précipités Dans des domaines de pH convenables. aux pH voisins de la neutralité.2.2. À noter que ces coagulants (sels d’acide fort) sont souvent introduits dans les effluents conjointement avec de la chaux Ca(OH)2 qui permet de réajuster si nécessaire le pH de coagulation. Pour les sels ferriques. Le précipité formé présente une très grande surface développée et pourra donc adsorber facilement les particules colloïdales. il existe. mais de complexes hydratés produits lors de leur hydrolyse.3.1. Al3+). Elles trouvent leur origine dans le phénomène suivant : les atomes ou molécules électriquement neutres induisent.2.2. capable de se fixer simultanément sur deux particules colloïdales en présence. Le pH joue un rôle prépondérant dans la coagulation. En pratique.1 Action purement électrostatique des cations Certaines espèces ioniques positives réduisent le potentiel ce qui conduit à une déstabilisation suivant un mécanisme analogue à celui de l’action des sels non hydrolysables. Nous pouvons distinguer fondamentalement les procédés consistant à réduire les forces de répulsion électrostatiques responsables de la stabilité des colloïdes hydrophobes (coagulation). 3. La concentration des divers ions produits par l’hydrolyse dépend étroitement du pH du milieu : un pH bas favorisera la formation de cations qui seront susceptibles de provoquer la coagulation par un simple mécanisme de neutralisation de la charge électrique colloïdale. intermédiaires entre les cations cités précédemment et les molécules neutres d’hydroxydes précipités. et vice-versa. 3. aucune redissolution de l’hydroxyde n’étant à craindre aux pH élevés. la valence de l’anion ne jouant qu’un rôle très secondaire . qui décroît beaucoup moins rapidement en fonction de la distance. Nota : il faut noter par ailleurs que l’action de certaines molécules tensioactives (détergents). 3. la coagulation s’effectue dans des conditions satisfaisantes pour des pH supérieurs à 5.2. situation rendue très improbable par la répulsion électrostatique.2 Facteurs « mécaniques » de déstabilisation L’addition d’une tierce substance.2. Lorsque l’on utilise des sels de Fe3+ ou Al3+. Il s’agit là de facteurs de stabilisation complémentaire à l’hydratation.2. par exemple la chaux. dans les atomes ou les molécules voisins. Ces sels hydrolysables. © Techniques de l’Ingénieur. permet l’agglomération de celles-ci.2. CO 32– . Ces polymères sont susceptibles d’agir par adsorption ou piégeage selon un mécanisme identique à celui des polyélectrolytes (§ 3. Il existe un optimum de coagulation (proche du pH de solubilité minimale) pour les sels d’aluminium qui se situe entre 6 et 7.2 Action des produits d’hydrolyse polymérisés Les études fondamentales.1. et ceux qui provoquent l’agglomération aussi bien des colloïdes hydrophiles qu’hydrophobes en agissant « mécaniquement » par adsorption et piégeage (floculation) [6] [8].3.2. ont montré l’existence de formes ioniques polymérisées. ajoutée volontairement pour faciliter la coagulation. La loi de décroissance de ces forces d’attraction en fonction de la distance qui sépare deux particules est telle que les forces d’attraction ne seront importantes que lorsque les particules seront très proches.3 Mécanismes de rupture de l’état colloïdal L’élimination de la pollution colloïdale suppose l’agglomération mutuelle des particules qui nécessite : — la rencontre de deux ou plusieurs particules. par exemple dans le cas de l’aluminium : Al ( OH ) 2+ et AlOH2+ fixant des molécules d’eau. et trivalents. par des sels contenant des cations mono. on utilise essentiellement des sels de fer et d’aluminium à cations trivalents (Fe3+. 3.2. des déplacements électroniques se traduisant par l’apparition d’un dipôle. Cette possibilité est exploitée en pratique : — par l’addition de substances macromoléculaires solubles à chaîne linéaire.2. qui peut chu- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.1 Coagulation Les travaux déjà anciens de Schulze et Hardy sur la nature et le mode d’action des réactifs mis en œuvre ont abouti aux conclusions suivantes : — tous les sels minéraux possèdent une activité coagulante plus ou moins importante . 3. 3.1 Forces d’attraction interparticulaires Comme l’ont montré les théories de London de Van des Waals.3.5-6.2. traité Environnement G 1 270 − 7 .4 Conditions de mise en œuvre des coagulants Les principaux coagulants mis en œuvre dans le traitement physico-chimique sont donnés dans l’encadré 1.2.2. dont la probabilité détermine la cinétique du phénomène (ce point sera examiné au § 3. il faut remarquer qu’il ne s’agit pas en général de ces cations.3.1. — l’efficacité coagulante est liée à la valence du cation du sel. ce qui suppose l’élimination ou la réduction du facteur de stabilité prépondérant. Il en est de même dans le cas où l’alcalinité résulte de l’addition d’une base forte. entre les atomes ou molécules constituant la matière. due à un compactage de la double couche ionique et à l’adsorption préférentielle. effectuées sur les produits d’hydrolyse des sels minéraux à cations trivalents (Fe3+ et Al3+). qui s’adsorbent à la surface des particules qu’elles relient entre elles par des « ponts » matériels (phénomène de floculation) . 3. Il en résulte des interactions entre ces dipôles induits.4) . L’efficacité coagulante de ces sels minéraux s’explique uniquement par une diminution du potentiel zêta. d’autres phénomènes tendent à déstabiliser les colloïdes c’est-à-dire à provoquer l’agglomération des particules de petite taille. — par l’adjonction de sels minéraux. capable d’adsorber et de piéger les particules avec lesquelles il entre en contact (phénomène de coagulation). OH−). des cations portant les charges électriques les plus élevées qui assurent l’annulation des charges électriques répulsives c’est-à-dire leur potentiel zêta. — l’adhésion des particules mises ainsi en présence. 3. qu’il sera parfois nécessaire de corriger pour maintenir le pH à une valeur optimale pour la coagulation.2 Facteurs de déstabilisation Contrairement aux précédents.2. — les doses nécessaires pour provoquer une agglomération identique des particules.1._____________________________________________________________________________ TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE particules colloïdales et constitue par suite un facteur de stabilisation important pour la dispersion des matières organiques polaires.3. à l’interface solide-liquide. 3. bi.2.2. L’hydrolyse libère des ions H+ et l’addition de tels sels provoquera une acidification du milieu. des forces attractives dites de cohésion. venant s’adsorber préférentiellement sur les particules. résultant de la présence des ions responsables de l’alcalinité de l’eau ( HCO 3– . sont dans le rapport 100/10/1. ont un mécanisme d’action qui s’avère complexe et multiple. vont contribuer à former un obstacle stérique à l’approche étroite des particules contiguës. — le chlorure de poly-(diallyl ammonium) .2. Ces chaînes macromoléculaires se comportent comme une succession de segments articulés. 3. provoquent la décharge électrique des colloïdes chargées négativement en venant s’adsorber à l’interface solide-liquide. Fe(SO4)3. par suite de l’existence de forces d’attraction intramoléculaires. ces produits polymériques se présentent.1 Propriétés physiques et composition chimique des floculants Fabriqués par de nombreuses firmes américaines (Dow Chemical. Sels d’aluminium : — le sulfate d’alumine. Rohm et Haas). qui comportent sur leurs chaînes des groupements ionisés. C’est ainsi que dans le cas des polymères non ioniques. 7H2O. par dissociation en solution aqueuse. ■ Polymères anioniques Ce sont des réactifs macromoléculaires (masse molaire 5 × 106 à 10 × 106). 3. de réaction électrique neutre en milieu aqueux. ou à partir d’une base ammonium. Al2(SO4)3. — le chlorosulfate de fer. est assez délicate.. le signe des charges électriques qu’il porte. Ce phénomène sera d’autant plus prononcé que le pourcentage de groupements ionisés portés par le polyélectrolyte sera important. L’agglomération de particules finement dispersées interviendra lorsque pour des adjonctions croissantes de polymères cationiques. ne représente cependant qu’un premier stade nécessaire du processus de floculation. 18H2O .2. qui peut être sous forme d’amine ou de sel quaternaire. — le sulfate ferreux.) et française (Sté Floerger). ■ Mécanisme d’adsorption et de réticulation C’est le mécanisme exclusif de la floculation des particules négatives par les polymères non ioniques et anioniques où aucune neutralisation de charge électrique ne peut être espérée [6].. porteurs de charges positives. par l’intermédiaire de leurs groupements ammoniums quaternaires. en première approximation.2.2. les groupements chargés électriquement de même signe. 9H2O .Hoechst . AlCl3. dans la mesure où un étalement maximal de la Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. Superfloc. Praestol. Les floculants sont commercialisés sous des noms les plus divers comme Purifloc. FeSO4Cl (produit Clairtan) . réunis par une agitation modérée du milieu réactionnel. Ce sont des produits polymériques de masse molaire moindre (250 000 à 106). Les paramètres intervenant au cours de la floculation seront donc. préparés à partir de structures à base de sels sulfonium ou phosphonium. qui s’effectue probablement par l’intermédiaire de liaisons hydrogène entre un groupement actif de la chaîne macromoléculaire (en l’occurrence un radical amide  CONH 2 ) et un site électronégatif à la surface des particules. ter lors du traitement d’effluents faiblement tamponnés [faible TAC (titre alcalimétrique complet)]. Le plus souvent.3.2 Floculation ■ Polyélectrolytes cationiques Les réactifs de floculation sont des polymères généralement synthétiques de structure linéaire et de haute masse moléculaire (pouvant atteindre 15 × 106). — les polymères d’aluminium comme le polychlorure basi6+ à Al ( OH ) 18+ que d’aluminium (PCBA) de la forme Al 6 ( OH ) 12 54 144 et des produits commercialisés sous des marques diverses comme WAC : AlwOHx(SO4)yCl3. Leur dissolution dans l’eau. si l’on ne prend pas les dispositions qui s’imposent : assurer une bonne dispersion dans la phase aqueuse des produits considérés. ■ Mécanisme de neutralisation des charges électriques Les polyélectrolytes cationiques. à l’état sec. et les polyélectrolytes cationiques. © Techniques de l’Ingénieur. American Cyanamid. Elle doit être suivie d’une phase d’agglomération consistant. Nous distinguerons les polyélectrolytes anioniques. carboxyliques ou sulfoniques. sous forme de poudres et de granulés ou sous formes liquides plus ou moins concentrés.2. L’adsorption. Sédipur. Au contraire. Le pouvoir floculant des polymères sera lié à la configuration des macromolécules au sein de la solution. Parmi les plus répandus notons : — les copolymères acrylate-acrylamide . chargés négativement.2 Mécanisme d’action des floculants On peut distinguer fondamentalement deux modes d’action qui peuvent se conjuguer dans certains cas. — les polyacrylamides partiellement hydrolysées par un réactif caustique. porteurs de charges électriques négatives. ils diffèrent par leur masse moléculaire et le caractère ionique de leurs groupements actifs en solution aqueuse. on annule le potentiel zêta des colloïdes. conformément. BASF. — le chlorhydrate de polyvinylammonium. c’est-à-dire porteurs de charges électriques . par l’intermédiaire de la formation de « ponts » ou liaisons interparticulaires entre colloïdes.Bayer. qui sont préparés par polymérisation de l’acrylamide sous l’action d’initiateurs radicalaires.3. Leur mode d’action ne peut s’expliquer qu’en faisant intervenir un processus d’adsorption d’une fraction de la chaîne polymérique sur un emplacement déterminé de la surface des particules. — le sulfate ferrique. Du point de vue chimique. répartis tout au long de la chaîne. son degré d’ionisation et sa masse moléculaire qui impose la longueur de la chaîne. Magnafloc. traité Environnement . les chaînes macromoléculaires en solution portent périodiquement des groupements chimiques ionisés. G 1 270 − 8 Les plus couramment utilisés sont : — les polyéthylèneimines . 6H2O .TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE _____________________________________________________________________________ Encadré 1 – Principaux coagulants Sels de fer : — le chlorure ferrique FeCl3 . la chaîne a tendance à s’enrouler sur elle-même pour former une sorte de pelote. — le chlorure d’aluminium. Cette seconde phase sera grandement favorisée par la taille (masse moléculaire du réactif) et une configuration linéaire des macromolécules. il s’agit alors de polyélectrolytes.3. ce qui a permis de les classer en trois catégories : ■ Polymères non ionogènes Ce sont presque exclusivement des polyacrylamides de haute masse moléculaire (15 × 106). sans formation de grumeaux. 3. en ce qui concerne le floculant : sa nature chimique. à une loi du type isotherme de Langmuir. Nalco Chemical. allemandes (Nobel . FeSO4. dans le cas des polyélectrolytes. en la création d’un réseau tridimensionnel ou floc. etc. se repoussent mutuellement et assurent ainsi à la macromolécule la plus grande extension possible au sein du liquide. selon une réaction irréversible très voisine de celle mise en jeu dans la coagulation par les électrolytes minéraux. traité Environnement G 1 270 − 9 ._____________________________________________________________________________ TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE chaîne polymérique permettra son adsorption sur plusieurs particules contiguës rassemblées ainsi par pontage (figure 7). G gradient de vitesse. le rapport des probabilités de collision résultant de l’un ou l’autre de ces mécanismes de mise en contact des particules est : J Gd 3 η --. T température suspension. n concentration en particules à l’instant donné. c’est-à-dire le nombre de collisions par unité de temps. responsable du déploiement de la macromolécule. Au contraire. c 3e phase : floculation Figure 7 – Les différentes étapes du processus de floculation On doit considérer que le gradient de vitesse est un paramètre fondamental agissant sur la probabilité de rencontre des particules.Gd 3 n 2 3 avec 1 E = --. la probabilité de rencontre des particules I.4. quand l’agglomération se poursuivra c’est l’agitation du milieu qui deviendra prépondérante (influence fondamentale du gradient de vitesse). n concentration de particules à l’instant donné. Ce mode de transport pourra rapprocher et mettre en contact les particules situées dans des couches parallèles se déplaçant à des vitesses différentes. qui est le diamètre de la sphère d’attraction entourant les particules supposées identiques. T température thermodynamique. À l’équilibre. Cette description assez schématique.4 Cinétique de la coagulation et de la floculation Il en résulte que les particules les plus petites posséderont les vitesses les plus grandes. était : Le mouvement brownien régit ce que l’on nomme la floculation péricinétique avec une agitation désordonnée des particules de petite taille en fonction de la température du milieu. joue un rôle capital dans l’agglomération des particules. η viscosité du milieu. paramètre caractérisant l’agitation du milieu. 3.2.= --------------2kT I a 1re phase : adsorption b 2e phase : réticulation avec G gradient de vitesse. Il en résulte que. le mouvement brownien jouera un rôle prépondérant (influence fondamentale de la température). est en supposant l’existence initiale de particules identiques : 8kT I = ---------. thermodynamique de la Ce rapport caractérise numériquement la prépondérance du transport par gradient de vitesse sur le transport par diffusion brownienne.2. © Techniques de l’Ingénieur. on peut considérer que.4. Si on veut situer l’importance relative des deux modes de transport.1 Floculation péricinétique Smoluchowski a démontré que la probabilité de rencontre des particules due au transport par gradient de vitesse J.2.4.2. il est nécessaire que les particules entrent en contact. l’énergie thermique est stockée par le fluide sous la forme d’énergie cinétique des particules.1. et que le mouvement brownien favorisera surtout la rencontre des particules de plus petite taille. le floc subit un cisaillement mécanique entraînant sa destruction. c’est-à-dire se rapprochent au-dessous d’une distance limite d. Pour que l’adhésion des particules colloïdales. v sa vitesse. 3. à chaque instant au cours de l’agglomération. décomposant la floculation en deux phases intimement liées.1 Étapes de l’agrégation des particules k constante de Boltzmann. toutes les particules possèdent la même énergie cinétique : 4 J = --. Il existe deux modes de transport et de mise en contact des particules à agglomérer [4] [6]. due au mouvement brownien. au début de l’agglomération (particules petites). 3.mv 2 2 avec m masse de la particule.⋅ n 2 2 3η avec 3. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. en agissant sur les probabilités de rencontre des particules. car pour des valeurs trop élevées de G.2 Floculation orthocinétique Le mécanisme de transport.1. À chaque instant. L’existence d’un gradient de vitesse (agitation du milieu) favorise ce que l’on nomme la floculation orthocinétique est liée à l’énergie dissipée. par l’un des mécanismes que nous venons d’examiner puisse se produire. En effet. Il n’est pas possible cependant de l’augmenter exagérément. permet d’expliquer dans une certaine mesure l’activité floculante que manifestent certains polymères anioniques présentant un degré d’ionisation bien défini (de l’ordre de 25 à 30 %). d diamètre de la sphère d’attraction qui est fonction de la taille des particules et surtout de l’extension des macromolécules adsorbées. η viscosité du milieu. d diamètre de la sphère d’attraction des particules. . On utilisera de préférence un mélangeur rapide à hélices où est dépensée une forte énergie........ G 1 270 − 10 On peut avoir recours également à des mélangeurs statiques..3 Mise en solution et dosage des réactifs Les réactifs coagulants (sels métalliques) sont injectés dans les eaux résiduaires sous forme de solutions concentrées (à 13-14 % de fer pour les sels ferriques) à l’aide de pompes doseuses à débit variable..2... Le réacteur équipé d’un hélicomélangeur à vitesse de rotation élevée (100 à 500 tr/min selon les applications) est conçu pour des temps de passage de 1 à 3 min. ce qui implique une agitation rapide de forte intensité.... placés directement dans la tuyauterie avant la phase de floculation... L’addition du coagulant doit être réalisée dans une zone de turbulence..... la présence d’inhibiteurs..5.1 Déstabilisation chimique La neutralisation des charges des colloïdes (coagulation) nécessite un mélange homogène des réactifs coagulants (sels métalliques ou polyélectrolytes cationiques) avec l’eau à traiter.2 Floculation Cette étape nécessite des conditions d’agitation plus modérées pour favoriser l’agglomération des colloïdes en un floc dont il convient d’assurer la croissance en évitant de le briser. forte déstabilisation des colloïdes Grosseur du floc Potentiel zêta Colloïdes 10 à 20 min agitation modérée formation et croissance du floc Figure 8 – Conditions hydrodynamiques des processus de coagulation-floculation 3. pendant une période relativement brève. Intensité d'agitation . si nécessaire...5.. on peut considérer que la coagulation nécessite des durées de réaction relativement brèves...5. Il est particulièrement important par ailleurs..2. D’une manière générale.2.. injectés toujours après.2 Temps de contact des réactions de coagulation et de floculation L’obtention d’une bonne agglomération des particules nécessite des temps de contact bien déterminés..TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE _____________________________________________________________________________ Mélange rapide Floculation Sel Réactif de fer alcalin ou d'aluminium + – + – Polyélectrolyte non ionique ou anionique + – + + + Sédimentation + – – Temps .. etc. appareils à gradient de vitesse très élevée. Parfois. n’excédant pas 5 min... même si cela s’avère moins judicieux. ce décalage pourra varier entre 1 à 3 min.5 Réacteurs de coagulation et de floculation 3.. L’alcalinisation. Les réacteurs sont dimensionnés généralement pour des temps de passage de 10 à 20 min (figure 8). 3. l’injection des réactifs est assurée au niveau du refoulement d’une pompe ou d’un ouvrage de répartition au-dessus d’un déversoir pour que la chute assure un mélange suffisant.. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. 3... on a besoin de 15 à 30 min.. traité Environnement . + C 0 coagulation 1 à 3 min rapide. La cinétique des réactions mises en jeu est influencée par les caractéristiques physico-chimiques et la nature des suspensions aqueuses..... du milieu réactionnel est assurée généralement par de la soude ou de la chaux (introduite sous forme de lait de chaux à 10 % de Ca(OH)2) avec un dosage asservi à une sonde de pH.2... la température. 3. seuls des essais expérimentaux au stade du laboratoire permettront de bien définir les cinétiques des réactions de coagulation et de floculation.....2.. la concentration en colloïdes. Suivant les débits à traiter et les réactifs mis en œuvre.. alors que pour l’étape de floculation pour favoriser l’agglomération du floc. de prévoir des points d’injection des réactifs chimiques de façon à obtenir un décalage optimal entre l’introduction des coagulants et celle des floculants.4...... Elle est assurée par un brassage lent dans des cuves en béton ou dans des enceintes métalliques ou en polypropylène équipées d’agitateurs à palettes entraînés par un motoréducteur à vitesse variable (10 à 50 tr/min). Mécanisme .. Dans le cadre des traitements physico-chimiques d’un rejet industriel. © Techniques de l’Ingénieur.. D’autres systèmes. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.6. on peut très aisément procéder au choix des meilleurs réactifs (sels métalliques. suivent pratiquement en continu l’évolution de la pollution. — aucune minéralisation supplémentaire introduite dans l’eau d’où la possibilité d’une réutilisation ultérieure de l’eau séparée (recyclage) sans avoir à craindre des problèmes de corrosion. On peut utiliser. traité Environnement G 1 270 − 11 . C’est tout l’intérêt d’une régulation du procédé qui est rendue possible grâce à des asservissements fiables économisant les réactifs tout en permettant l’optimisation des résultats et la simplification de l’exploitation [5]. malgré leur coût relativement élevé (3 à 6 €/kg de produit sec) présentent sur les coagulants classiques un certain avantage : — efficacité et réactivité très importantes pour l’utilisation de très faibles quantités (dosage de 2 à 10 g/m3) .5 à 1 g/L [5]. Les floculants. tout en restant très fiables. le conditionnement par des réactifs polymériques employés seuls s’avère difficile et conduit à une déstabilisation imparfaite avec pour conséquence une mauvaise clarification des eaux résiduaires._____________________________________________________________________________ TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE Pour les floculants (produits se présentant à l’état sec sous forme de poudre ou granulés). s’avère indispensable pour procéder au choix du conditionnement à appliquer et fixer correctement le dosage des réactifs nécessaires au traitement [1] [5].2. le comportement suivi correspond à celui d’une suspension de l’espèce prédominante. On juge visuellement de la qualité de la coagulation et de la floculation (dimensions des flocs) et l’on apprécie.) étant préalablement rassemblés sous la forme d’un floc lors d’une étape de coagulation-floculation. Ces coagulants (sels d’acides forts) sont souvent introduits dans les effluents conjointement avec un réactif alcalin (soude ou chaux) qui permet si nécessaire de réajuster le pH dans la zone optimale de coagulation.5 à 2 pour parfaire la coagulation initiale des colloïdes assurée par des réactifs minéraux à polycations comme les sels de fer ou d’aluminium. sans procéder à des tests de contrôle au stade du laboratoire. — facilité de mise en œuvre avec une activité très peu affectée par le pH . g/m3) Les floculants sont toujours utilisés à faible dosage (0. Un asservissement élaboré facilite le travail des exploitants. la préparation de solutions mères de 2 à 5 g/L amenées à maturation. ■ Pour des suspensions aqueuses relativement concentrées en particules. avec succès également. — obtention comparativement aux coagulants d’un volume de boue réduit.2.6 Détermination du conditionnement chimique L’optimisation technico-économique du traitement de conditionnement chimique est largement dépendante des caractéristiques physico-chimiques des suspensions aqueuses. dégager certaines règles en guise d’orientation pour le choix du type de réactif (coagulant ou floculant). et pratiquement toutes les stations sont équipées en conséquence. tout en évitant les erreurs humaines . 3. sur la base de l’expérience.2 Étude expérimentale de la coagulation et floculation Il est extrêmement important de noter que l’on ne peut pas procéder au choix du meilleur conditionnement chimique et fixer avec rigueur les dosages des réactifs à mettre en œuvre.2. l’injection de réactifs proportionnellement au débit est aisée. 3. 3. colloïdes.1 Choix du type de réactif On peut cependant. plus élaborés. on peut réaliser une économie de réactifs de 10 à 40 %. floculant cationique) et définir rigoureusement les dosages. D’une manière générale. émulsion huileuse. On a recours essentiellement aux essais traditionnels du type « Jar-test » consistant à introduire dans une série de béchers contenant l’eau à traiter divers réactifs à des dosages croissants. qui permet de suivre l’évolution progressive du potentiel zêta en particules en fonction d’un dosage croissant de coagulant introduit dans le milieu réactionnel. la technique d’électrophorèse (emploi du Zeta-meter). par des mesures de turbidité et de la teneur des matières en suspension résiduelles dans le surnageant. mais il arrive que l’on assure une double floculation : adjonction séparée dans deux réacteurs agités successivement d’un polyélectrolyte cationique puis anionique. ■ Pour des suspensions peu concentrées en particules par ailleurs finement dispersées ou des effluents chargés d’huiles ou d’hydrocarbures à l’état émulsionné. de plus.2. par suite de l’absence de sels insolubles apportés au process . selon le système mis en œuvre. © Techniques de l’Ingénieur. Dans le cas de suspensions mixtes (particules minérales et organiques). Pour chaque eau résiduaire industrielle.3 Techniques de séparation des insolubles La séparation des phases solide-liquide est assurée en utilisant des technologies faisant appel aux mécanismes de décantation ou de flottation.6. La coagulation se produisant théoriquement lorsqu’on atteint le point isoélectrique. l’exécution d’un certain nombre d’essais de laboratoire.6. 3. les insolubles (matières en suspension. on réalise tout d’abord par dissolution dans l’eau. D’une façon générale. dès l’instant que la station est équipée d’un dispositif de comptage.3 Régulation du traitement physico-chimique Une bonne maîtrise de l’épuration physico-chimique implique que l’on puisse maintenir une efficacité constante en fonction des débits et des charges de pollutions reçues par l’installation et que l’on ait la possibilité de moduler les performances en fonction des besoins en jouant sur les dosages de réactifs. etc. Ces dernières sont ensuite injectées par pompes doseuses volumétriques dans les effluents. dans des conditions d’agitation bien déterminées. 3. les réactifs polymériques anioniques et non ioniques sont les plus efficaces sur les suspensions de particules minérales et pratiquement toujours peu actifs sur les suspensions organiques qui sont par contre très bien floculées par certains polyélectrolytes cationiques. la qualité de la clarification. on peut recourir à un conditionnement par des réactifs polymériques ou par des sels métalliques classiques. après passage dans un hydroéjecteur où l’on pratique une dilution secondaire par de l’eau propre pour les amener à une activité maximale sous la forme d’une solution diluée de 0. Certains sont liés à la mesure de la turbidité (système du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) ou à un test automatique de floculation en continu (autofloc d’Eur Control). Si l’on ne veut pas risquer des accrochages de boues sur les parois ou dans les angles. traitement physico-chimique la séquence coagulation-floculation et décantation. pour des raisons économiques. Il s’agit d’une vitesse indépendante de la hauteur de l’ouvrage de décantation. la décantation n’assure que la séparation des matières en suspension décantables qui présentent une granulométrie supérieure à 50 µm.1. dont la vitesse de rota- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. Il permet. L’élimination quasi totale des matières solides implique une coagulation-floculation préalable pour parfaire la clarification.1 Décantation La décantation peut être définie comme une technique de séparation des matières solides du liquide qui les contenait. c’est-à-dire les taux de clarification pouvant être obtenus seront fonction : — de la charge hydraulique superficielle (chs) ou vitesse ascensionnelle appliquée à l’ouvrage de décantation. 3. aucune pente ne doit être inférieure à 5060˚ sur l’horizontale. Par ailleurs. © Techniques de l’Ingénieur.3. Elle exprime que le paramètre clé entrant dans le calcul dimensionnel d’un décanteur est la charge hydraulique superficielle ou vitesse ascensionnelle [en m3/(m2 × h) ou m/h]. sous l’influence des forces de gravité. en relation directe avec le temps de séjour de l’effluent dans le décanteur . on limite normalement leur emploi à un diamètre de 6 à 7 m. G 1 270 − 12 — de l’accélération de la sédimentation des matières solides pouvant être occasionnée par l’intermédiaire d’un traitement de coagulation-floculation approprié et optimisé.1. Les performances.2. il convient de se reporter aux articles spécifiques du traité Génie des procédés [9] [10]. un racleur de surface pousse les corps flottants vers un « pot à écumes » d’où ces produits peuvent être envoyés soit vers les puits à boues pour être mélangés à celles-ci.3. les caractéristiques physico-chimiques (propriétés électriques. densité. traité Environnement . Le fond des ouvrages a une très légère pente (4 à 8 %) vers le centre pour faciliter la collecte des boues.1. ils sont limités à des diamètres de 50 à 60 m maximum. 3. Pour ce qui relève des lois fondamentales de la décantation. Nous rappellerons que le dimensionnement des ouvrages de décantation repose sur la théorie développée par Hazen et Camp. On désigne sous le terme. fixé à une charpente métallique tournant autour de l’axe du bassin. Cela conduit à des appareils très profonds et. ■ Décanteurs statiques sans raclage Généralement à flux vertical. Toutes les particules dont la vitesse de décantation est supérieure à la vitesse ascensionnelle seront retenues par le décanteur. tronconiques ou en pyramides renversées. d’amener les boues déposées sur toute la surface du fond de l’appareil vers une poche centrale d’où partent les tuyauteries d’extraction.3. La technique européenne est généralement orientée vers des ponts racleurs à entraînement périphérique.TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE _____________________________________________________________________________ Fût central Départ d'eau décantée Racleur de boues Vidange du décanteur Minuterie Vanne automatique d'extraction des boues Pont racleur Groupe d'entraînement Arrivée d'eau brute Figure 9 – Décanteur circulaire raclé. grâce à une lame continue ou à des raclettes disposées en jalousie. Cette opération. est nommée décantation primaire. ils sont constitués de bassins cylindro-coniques. à entraînement périphérique 3. 3. les caractéristiques propres des particules et les interactions possibles entre elles. à l’origine d’une clarification partielle. trois grands systèmes de décantation peuvent être proposés [1] [2].5 m. concentration) des particules en suspension et les conditions d’exploitation désirées. possède une double fonction.1 Décantation statique Elle est assurée dans des bassins de forme circulaire ou rectangulaire avec ou sans raclage des boues décantées selon la quantité de matières en suspension dans les effluents et le volume des boues à évacuer.3. Sans addition de réactifs chimiques. ■ Décanteurs circulaires raclés (figure 9) De hauteur comprise entre 2 à 3. Le dispositif de raclage. avec de fortes pentes pour permettre aux boues de glisser naturellement vers le fond de l’appareil d’où elles sont extraites.2 Aspects technologiques Suivant la nature des effluents résiduaires. qui ne prend en compte que la surface horizontale S (en m2) dans son rapport avec le débit horaire traversier Q (en m3/h). soit vers un poste séparé de traitement propre aux produits recueillis au poste de dégrillage et à celui de déshuilage.1 Critères de dimensionnement des décanteurs Les phénomènes de sédimentation peuvent se manifester différemment selon la concentration des matières en suspension. On peut considérer. que les décanteurs rectangulaires. Ils raclent à contre-courant seulement. De ce fait.2. la pente du radier est de l’ordre de 1 %. par exemple par un recyclage partiel des boues décantées . alors qu’ils sont très présents dans les pays d’influence germanique. Le plus souvent. La profondeur des bassins est comprise le plus souvent entre 2._____________________________________________________________________________ TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE Pont racleur Sortie d'eau décantée Zone de floculation Évacuation des boues Arrivée d'eau brute Figure 10 – Décanteur floculateur. ensuite par de larges ouvertures dans la zone de décantation périphérique où s’opère la clarification des effluents. ■ Décanteurs à lit de boues Une amélioration de la floculation peut aussi être obtenue par passage de l’eau coagulée à travers un lit de boues maintenu en fluidisation homogène. et la vitesse.3. mais l’extraction des boues des différentes trémies s’avère plus délicate à réaliser que pour les décanteurs circulaires.5 et 4 m . Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. l’emploi d’un tel système est cependant peu recommandable. Tous les ouvrages classiques de décantation sont généralement dimensionnés sur la base de charges hydrauliques superficielles de décantation se situant entre 1 et 2 m/h. Ces deux principes ont trouvé leur application dans la conception de deux types de décanteurs fonctionnant à performances égales à des charges hydrauliques superficielles de décantation 2 à 3 fois supérieures à celles des décanteurs classiques [1] [5]. S’il n’y a pas là de limitations théoriques dans les surfaces d’appareils. ● Les décanteurs à chaînes permettent un raclage continu de la boue et des flottants par une série de raclettes montées entre deux chaînes sans fin parallèles et tournant le long des parois verticales du bassin. Il existe deux types de décanteurs longitudinaux : les appareils à pont racleur et les appareils à chaînes. Dans certains cas. à pont racleur avec entraînement périphérique sans recirculation de boues tion est de 3 à 5 cm/s. ne peut excéder 3 cm/s (au retour la vitesse peut être le triple). on se contente d’un pont radial avec un prolongement en porte-à-faux sur le tiers du rayon. — l’autre à créer un lit de boue fluidisé qui sera traversé par l’eau floculée. mais cette technique n’est généralement appliquée que pour la production d’eau potable ou d’eau de process industriel à partir d’eaux superficielles. Ce principe est mis en œuvre dans le décanteur à contact de boues Pulsator de la société Degrémont .1. Il y a un temps maximal admissible entre deux raclages au même point. Une fraction des boues qui se déposent est recyclée . L’eau floculée s’écoule Elle est basée sur le principe que pour favoriser la floculation incorporée au décanteur et par suite parfaire la clarification. C’est sur ce principe (figure 11) que fonctionnent les décanteurs Accélérator et Turbocirculator de la société Degrémont. où le contact des réactifs avec l’eau à traiter se fait à l’aide d’une agitation modérée. La forme correspondant à la meilleure hydraulique donne un rapport de 1 à 6 entre la largeur et la longueur. permettent de gagner de la place par rapport aux appareils circulaires . ● Les ponts racleurs des décanteurs longitudinaux se déplacent selon un mouvement de va et vient. on doit se limiter à des longueurs de 60 à 80 m par dispositif de raclage. quand il doit y en avoir plusieurs. traité Environnement G 1 270 − 13 . On emploie pour cela deux processus consistant : — l’un à augmenter leur concentration dans l’eau à traiter. 3. il s’ensuit un enrichissement en matières solides qui permet d’assurer une floculation plus rapide et générer la formation d’un floc plus dense. Ces deux zones communiquent par le haut et le bas. on peut concevoir des ponts diamétraux articulés au centre et avec des dispositifs d’entraînement aux deux extrémités. pour éviter les fermentations et les amas de boues tassées. les ouvrages de décantation sont généralement précédés des réacteurs de coagulation et de floculation. ■ Décanteurs à circulation de boues Ils se caractérisent par la présence d’une zone centrale de réaction entourée d’une zone de décantation. Ce matériel est simple et relativement bon marché par rapport aux dispositifs à entraînement central utilisés pour certaines eaux résiduaires industrielles. pendant la période de raclage. du fait des risques d’usure rapide par abrasion de toutes les parties mobiles immergées. de façon à ne pas briser le floc en cours de grossissement. ■ Clarifloculateur Dans le cadre d’un traitement physico-chimique des eaux résiduaires. Pour les grands diamètres (supérieur à 40 m). Une turbine située à la partie supérieure de la zone de réaction. il est intéressant d’augmenter les chances de rencontre des particules. © Techniques de l’Ingénieur. type clarifloculateurs. très chargées en matières en suspension. on réalise des appareillages nommés « clarifloculateurs » (figure 10).2 Décantation accélérée ■ Décanteurs rectangulaires Ils sont peu répandus en France. fait circuler l’eau floculée vers la zone de décantation. et pas pour le traitement d’eaux résiduaires à cause des risques d’obstruction des tuyauteries de répartition de l’eau coagulée à la base du lit de boues [1]. Koagulor (Sté Passavant) et Sédimat (Sté Lurgi). Calcul de la surface équivalente La décantation lamellaire s’opère dans des ouvrages cloisonnés intérieurement par des plaques ou tubes parallèles d’orientation dans lesquels on améliore les conditions hydrauliques en facilitant l’écoulement laminaire. que de la surface du décanteur. si on considère un décanteur rectangulaire ou circulaire de surface S et de hauteur H. mais peu à peu cette technologie a trouvé aussi de nombreuses applications dans la dépollution des rejets industriels. on peut distinguer trois grandes familles de décanteurs à lames minces : — les décanteurs lamellaires à contre-courant développés par les sociétés OTV et Degrémont. Dans ces conditions. pour des rendements d’élimination équivalents à la décantation classique. soit au total un débit de N × Q. — les décanteurs à lames minces à courants croisés : cellules « Serpac » de la société Erpac . en réalité. La collecte et l’extraction des boues déposées devront par ailleurs être étudiées avec le plus grand soin.3. La conception de ces appareils met à profit le fait que le rendement de séparation des matières en suspension ne dépend. qui pour améliorer les conditions de floculation. On la définit comme étant le rapport entre le débit horaire Q (en m3/h) passant dans l’installation et la somme des surfaces horizontales projetées des N décanteurs élémentaires constitutifs. Le temps de séjour de l’eau est réduit à environ 10 à 12 min contre 2 h dans un décanteur classique. le concept de la charge hydraulique superficielle reste applicable. des prétraitements de tamisage efficaces pour éviter tout risque de colmatage des plaques. c’est-à-dire la circulation relative de la boue déposée et de l’eau clarifiée. Par conséquent.TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE _____________________________________________________________________________ Départ eau traitée Mûrissement du floc Zone de décantation Racleurs Recyclage des boues Boues en excès Hélice de mélange eau brute . permettra de traiter dans chaque décanteur élémentaire le débit Q. le divisant en N compartiments superposés de hauteur (H/N). S L Q S H/N Cette évolution s’explique essentiellement par le développement des traitements physico-chimiques appliqués aux rejets urbains à grande variation de pollution comme c’est le cas en zones touristiques (agglomérations à population très variable plus particulièrement des stations balnéaires et de haute montagne). Pour le dimensionnement de ces ouvrages. — les décanteurs lamellaires à co-courant : Unité lamella Axel Johnson. On limite par ailleurs les turbulences en guidant l’écoulement des filets liquides.1. La faible durée de décantation (15 min au maximum) dans les ouvrages limite l’épaississement des boues avant soutirage à 1-2 % de matières sèches. c’est-à-dire à la somme de la projection de chaque plaque (de surface élémentaire S) sur l’horizontale (figure 12). avec des charges hydrauliques superficielles très élevées de 10 à 15 m/h. © Techniques de l’Ingénieur. équipent leurs ouvrages d’une recirculation des boues décantées (figure 13) . il est absolument indispensable que l’autocurage des matières sédimentées sur les plaques soit assuré.3 Décantation lamellaire Q La séparation lamellaire a permis une évolution importante de la technologie de décantation avec la conception d’installations beaucoup plus compactes [4] [1]. leur espacement de 10 à 20 cm. G 1 270 − 14 Il est particulièrement important de signaler que. La décantation lamellaire fonctionne.  N H N plaques S = N (Lcos α) Figure 12 – Principe de la décantation lamellaire. Sa profondeur a peu d’influence sur ses capacités de décantation.boues recyclées Arrivée d'eau brute Introduction des réactifs Figure 11 – Décanteur à recirculation de boue : Turbocirculator (Degrémont) 3. quelle que soit la conception technologique des appareillages. L’inclinaison des plaques est généralement de 45 à 60˚. compatible avec l’évacuation des boues déposées. l’installation de N cloisons horizontales. la surface effective ou équivalente de décantation du séparateur lamellaire sera égale à NS. traité Environnement . Selon la conception technologique des circuits hydrauliques. Dans la pratique. d’où l’inclinaison de ces dernières d’un angle α sur l’horizontale. Une amélioration importante des conditions d’épaississement est obtenue par des réalisations comme celles proposées par la Société Degrémont au niveau de son « Densadeg » Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. il est nécessaire d’implanter en amont des décanteurs à lames minces.2. 1 Critères de dimensionnement des ouvrages La sédimentation possède des limites certaines dans le cas où les particules ont une densité trop proche de celle de l’eau. qui est en réalité une séparation dans un champ gravitaire « inverse » par rapport à celui de la décantation. comme par exemple. © Techniques de l’Ingénieur. 3. traité Environnement G 1 270 − 15 .2 Séparation par flottation 3. en utilisant la faculté de ceux-ci de se fixer à des bulles de gaz de faibles dimensions. ce qui leur confère une densité apparente plus légère que celle du milieu [11]. quoique lui étant supérieure. Il est alors nécessaire de recourir à une technique concurrente. la flottation. La flottation réalise la séparation des insolubles collectés à la surface libre de l’appareillage.2._____________________________________________________________________________ TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE Dispositif de reprise d'eau décantée Hélice de recyclage Chambre de réaction Zone de décantation lamellaire Fosses à boues Racleur de boues Conduits d'alimentation de la zone de décantation Tuyauteries d'extraction des boues Entrée eau brute Figure 13 – Décanteur lamellaire RPS (Degrémont) Coagulation Injection FeCl3 Floculation Tranquillisation Clarification Sondes de niveaux de boue Injection polymère Reprise flottants Sortie effluent Entrée effluent Figure 14 – Décanteur lamellaire Densadeg (Degrémont) ou l’on optimise la floculation et où on réalise un épaississement intégré des boues (figure 14).3. et devient inapplicable pour les particules moins denses. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.3. ● La solution d’abord adoptée consistait à saturer d’air. ● Une variante plus largement mise en œuvre à l’heure actuelle en traitement des effluents consiste à pressuriser une partie de l’effluent clarifié (environ 10 à 30 %). d’une taille de 30 à 80 µm qui s’accrochent aisément au floc. la charge hydraulique superficielle chs de flottation varie entre 5 et 10 m/h en fonction de la nature et de la composition des eaux résiduaires à traiter et aussi du conditionnement chimique appliqué (nature et dosage des réactifs). à détendre la phase liquide à la pression atmosphérique.2. dans une chambre de flottation.2 Flottation mécanique (par aération à air induit) Organe de pressurisation-détente Ce circuit annexe est alimenté à partir d’eau traitée (eau flottée ou filtrée) par une pompe de recirculation dont le débit représente un certain pourcentage du débit d’eau brute. de ne pas briser inéluctablement le floc formé.2. L’ouvrage comporte généralement deux zones : l’une de brassage et d’émulsion où la suspension est agitée et mélangée d’air. placé dans le puits central à la partie supérieure d’un ouvrage cylindro-conique.2. La consommation d’énergie par ce procédé de flottation mécanique s’élève à 100150 Wh/m3 traité. produites à travers des diffuseurs poreux.2. On l’utilise avec succès dans l’industrie papetière.3 Aéroflottation Ce procédé a connu un très grand développement dans le traitement physico-chimique des rejets urbains et de certains rejets industriels. mais il est possible d’incorporer une certaine quantité d’air ou de gaz à cette particule ou au floc formé de façon à provoquer une diminution de la masse volumique apparente de l’agglomérat ainsi constitué. mais également dans l’épaississement des boues biologiques après généralement un conditionnement chimique de floculation préalable des effluents ou des boues. ce procédé trouve son application pour le prédéshuilage d’effluents de raffinerie ou la séparation d’élastomères ou latex contenus dans certains rejets industriels.TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE _____________________________________________________________________________ Nous rappellerons que les lois gouvernant la séparation des phases solide-liquide par flottation sont les mêmes que celles de la décantation. bien adapté à la collecte à la fois des boues légères susceptibles de flotter et des boues lourdes uniquement décantables. ■ On considère que trois organes sont déterminants pour les performances d’un flottateur et ce sont eux qui expliquent les différences constatées d’un appareil à l’autre. Dans le domaine du traitement de l’eau. l’ensemble du débit à traiter. ● 3. ne s’applique qu’à des substances naturellement hydrophobes. dans toute la masse de la phase liquide et en particulier au voisinage immédiat du floc. ■ Cette technique est mise en œuvre au niveau des cellules de flottation préconisées par les sociétés Degrémont.3. après une rétention de quelques minutes. pour la récupération des fibres des eaux blanches. Ce procédé. — et le ratio Qs (en cm3/g) : volume d′air Q s = --------------------------------------------------------------------------masse de solides à flotter Pour les meilleures technologies. SGN et Krofta. Organe de raclage Ce dispositif doit permettre : — une accumulation aussi forte que possible de la boue à la surface . qui ont tendance à se réunir par coalescence. ● ● Cette technique consiste à réaliser une dispersion mécanique de bulles d’air de 0. OTV. c’est-à-dire le taux de clarification pouvant être obtenu. Ce procédé de flottation (avec 20 % de recirculation) consomme une énergie électrique de 40 à 60 Wh/m3 traité [1] [5] [7]. Il présente l’avantage.1 Flottation par insufflation d’air Des bulles d’air de quelques millimètres de diamètre. 3. et l’autre. dans la mesure où l’on engendre. © Techniques de l’Ingénieur. Dans la pratique. — la différence de densité : en effet celle-ci dépend toujours de la nature de la particule. à une pression de 3 à 6 bar. de flottation proprement dite. La figure 15 indique la disposition type d’un flottateur à air dissous et de ses ouvrages (pressurisation indirecte d’une fraction d’eau traitée recyclée) sous laquelle ce procédé est le plus souvent commercialisé. permet à la fois de disperser dans le milieu une multitude de bulles d’air et d’autre part de créer un mouvement hydraulique qui favorise la flottation des matières légères écrémées par un pont racleur. qui permettra à l’attelage « air-floc » de se séparer avec une vitesse ascensionnelle beaucoup plus élevée qu’en décantation. sans avoir le temps de s’échapper du milieu par un mouvement ascendant. puis. L’inconvénient du procédé réside dans l’impossibilité de pouvoir contrôler la grosseur des bulles d’air produites.2. Conformément à la formule de Stokes. notamment l’élimination des graisses et des huiles des rejets de laminoirs en sidérurgie. 3. sont insufflées au sein de la masse liquide. on augmentera les performances de séparation des insolubles et par suite le taux de clarification en jouant sur deux paramètres : — le diamètre des particules.2 Aspects technologiques Les systèmes de flottation diffèrent essentiellement par le moyen de production des bulles gazeuses et leurs dimensions qui conditionnent l’efficacité d’une clarification par flottation [1]. Erpac. qui est recyclée et mélangée à la suspension à traiter avant ou à l’entrée de la cellule de flottation. G 1 270 − 16 Organe de mélange entre floc et eau détendue C’est du bon fonctionnement de cet organe que dépend l’efficacité de l’accrochage bulle-floc et par conséquent la qualité de la clarification. — la possibilité de racler les boues avant qu’une fraction importante de l’air inclus n’ait le temps de s’échapper. ses conditions optimales d’exploitation et les performances de séparation des insolubles. de la même façon qu’en décantation en procédant à un conditionnement chimique préalable des effluents moyennant l’apport de produits coagulants et floculants . est généralement assurée par aéroflottation avec production des microbulles au sein du liquide selon la technique de pressuration-détente. dont l’efficacité demeure limitée.1 à 1 mm. où s’effectue la séparation et la collecte des matières flottées. L’air est introduit par un aérateur immergé (type oxyclone) qui. En traitement physico-chimique tertiaire. au niveau d’un traitement physico-chimique des eaux résiduaires. des bulles très petites. Ce pourcentage est avant tout fonction de la quantité de solides à éliminer et pourra donc être variable suivant le type d’eau à traiter. et pour d’autres applications. traité Environnement . Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.3.2. les flottateurs sont souvent équipés d’un double dispositif de raclage des boues en surface et au fond. plus calme.2.3. Le calcul dimensionnel d’un ouvrage de flottation. sont largement dépendantes de deux paramètres essentiels : — la charge hydraulique superficielle de flottation ou vitesse ascensionnelle limite VL [en m3/(m2 · h)] . À l’échelle industrielle la clarification. par rapport à la flottation mécanique et par insufflation d’air. il se situe entre 15 et 25 %.3. 3. 1 Considérations générales Développé essentiellement par SGN (Saint-Gobain Technique Nouvelle). 4. en fonction des caractéristiques des rejets à traiter. ce procédé présente l’intérêt d’assurer l’homogénéité du flux tant du point de vue de la dimension des bulles (50 à 100 µm) que de leur répartition spatiale. dans le cadre d’un projet. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. L’expérience acquise sur de nombreuses stations physico-chimiques de toutes dimensions a montré que l’efficacité des procédés étaient largement dépendante : — des caractéristiques physico-chimiques des rejets industriels (très variables d’une eau résiduaire à l’autre) . les flottateurs industriels peuvent avoir une forme circulaire ou rectangulaire. les densités de courant pratiquées sont de l’ordre de 80 à 100 A/m2 de surface d’électrode.2. ou n’être d’un stade intermédiaire ou stade final d’une installation de traitement plus complexe. L’énergie électrique consommée se situe entre 150 à 200 Wh/m3 d’eau traitée. Le point délicat de la technique réside dans la nature des électrodes utilisées : les anodes sont très sensibles à la corrosion et les cathodes à l’entartrage par décarbonatation de l’eau. impliquant un nettoyage périodique.2. — enfin de la conception technologique et des conditions de fonctionnement des différents appareillages assurant la séparation des phases solide-liquide en vue de la clarification des effluents. utilisant des pilotes installés sur le site.3. l’intérêt (sur le plan de l’efficacité) de la mise en œuvre d’un traitement physico-chimique.2. Ces essais n’ont cependant qu’une portée d’orientation et il est souvent nécessaire de les compléter par une expérimentation dynamique.5 Commentaires Le tableau 1 résume les caractéristiques techniques et les principales applications au traitement des eaux. carbone ou mieux titane) est choisie pour obtenir une tenue à la corrosion compatible avec la composition physico-chimique des effluents à traiter. En pratique. La nature du matériau utilisé (acier inoxydable 18/10. les conditions optimales d’exploitation de la future installation ainsi que les performances d’épuration pouvant être atteintes. 4. mais à la différence que les microbulles sont produites par électrolyse de l’eau à traiter au moyen d’électrodes appropriées [7]. avec une hauteur de 2. traité Environnement G 1 270 − 17 . de fixer tous les critères de dimensionnement. Il s’agit de traitement physico-chimiques des rejets issus de diverses branches industrielles. qui seule permettra. — de la nature et des doses de réactifs mis en œuvre lors du conditionnement des effluents . le débit gazeux obtenu est réglable à volonté puisqu’il est proportionnel à la quantité d’électricité fournie à la cellule.2. Efficacité des installations de traitements 3. Des essais au stade du laboratoire sont indispensables pour situer en première approche. Enfin.3. © Techniques de l’Ingénieur. Le groupe d’alimentation de la cellule de flottation comporte un redresseur et un transformateur qui délivrent un courant redressé de tension comprise entre 5 et 10 V aux électrodes suivant la conductivité de l’effluent.4 Électroflottation C’est une technique de séparation analogue à l’aéroflottation. des différents procédés de flottation. 3. Il faut noter que le traitement physico-chimique peut constituer à lui seul la filière de traitement des rejets.5 à 4 m._____________________________________________________________________________ TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE Eau brute Système de raclage Eau traitée Pompes doseuse Bac de floculation Eau recyclée Eau floculée Coagulant Récupération des boues Floculant Détente Ballon de pressurisation Purge Eau pressurisée Compresseur Figure 15 – Schéma de principe d’une installation de traitement physico-chimique par aéroflottation Du point de vue de leurs caractéristiques. ....5 m3/(m2 · h)].2 DCO ..... Les boues sont épaissies par voie gravitaire et déshydratées sur filtre presse. À noter également.. à une siccité de 50 % de matières sèches..m.p. — d’un bassin tampon d’homogénéisation .TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE _____________________________________________________________________________ (0) Tableau 1 – Caractéristiques techniques et applications des différents procédés de flottation Procédé Taille des bulles (µm) Consommation d’énergie (Wh/m3 traité) Temps de séjour (min) Principales applications Flottation par insufflation d’air 100 à 500 20 à 30 2à5 Élimination : huiles.. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.(mg/L) 100 à 250  10 SEC > 90 DBO5 DCO MEST SEC demande biochimique en oxygène à 5 jours demande chimique en oxygène matières en suspension totale paramètre qui englobe les substances extractibles au chloroforme (huiles et hydrocarbures) La qualité de l’eau traitée est conforme aux normes de rejet au milieu naturel. de FeCl3) . élastomères Flottation par air dissous (ou aéroflottation) avec 20 % de recirculation 40 à 70 45 à 60 20 à 30 • Hydrocarbures • Solvants • Fibres • Suspensions de fines particules floculées (effluents industriels et urbains) Électroflottation 50 à 100 150 à 200 idem mêmes applications que pour la flottation par air dissous (0) Relèvement Dégrillage mécanique Tableau 2 – Performances d’épuration des rejets des ateliers « forge et laminoirs » Surverse épaississeur Paramètre de pollution Déshuilage FeCL3 Coagulation Polymère. Flottation mécanique 100 à 1 000 100 à 200 2 à 15 Dégrossissage de suspensions de polymères.. sous la forme de matières solides (oxydes) finement dispersées et à l’état colloïdal... la présence d’huiles et d’hydrocarbures plus ou moins en émulsion. Les installations de traitements sont constitués (figure 17) : — d’un dégrillage . G 1 270 − 18 Caractéristiques des effluents (volume traité : 9 600 m3/j) Avant traitement Après traitement Rendement d’épuration (%) pH .. silice......... charges à base de kaolin.....m.. 6à8 7..... La figure 16 fournit le principe de fonctionnement des installations de traitement comportant : — un dégrillage ........ — une floculation (dosage 2 p.(mg/L) 320 à 450  30 MEST > 90 SEC... ■ Traitement des rejets de papeterie d’une usine de fabrication de papiers fins de qualité et de coloration variables La production polluante variant dans de larges proportions est essentiellement constituée d’insolubles (fibres perdus... graisses.. latex....p..(mg/L) 280 à 360  50 DCO > 85 DBO5 . — d’une double floculation .. présentent une pollution à caractère minéral dominant... — une clarification par décantation statique.....) et présente de surcroît un caractère organique particulièrement marqué.. anionique Filtrat Floculation Décantation (type clarifloculateur) Comptage de l'eau traitée Épaississement gravitaire Déshydratation sur filtre presse Boues déshydratées (décharge) Figure 16 – Principe de fonctionnement d’une installation de traitement des rejets en sidérurgie 4... Les performances de l’épuration sont notées dans le tableau 2.... — un déshuilage avec récupération des huiles par tambour oléophile .(mg/L) 50 à 60 5 DBO5 > 90 MEST..... © Techniques de l’Ingénieur. traité Environnement ... de polymère) ..... — d’une clarification par décantation statique [chs appliquée 1..2 Exemples de réalisations industrielles ■ Traitement en sidérurgie des rejets des ateliers « forge et des laminoirs » Les eaux résiduaires de ce type d’industrie.. — une coagulation (dosage 150 p... ............. (mg/L) 15 à 50  10 > 80 DCO MEST demande chimique en oxygène matières en suspension totale Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. reste colorée et présente une pollution organique dissoute résiduelle qui implique obligatoirement une épuration complémentaire par voie biologique et si nécessaire une décoloration..4 Performances épuratoires (%) MEST . (mg/L) 15 à 40 1 > 95 Fer (Fe) ..... © Techniques de l’Ingénieur...... à noter également en dissolution. la présence non négligeable d’hydrocarbures et de métaux (plomb essentiellement) à caractère toxique... (mg/L) 1 200 à 5 000 300 à 1 000 DCO : 75 à 80 % Plomb (Pb) .. Floculant anionique Les caractéristiques physico-chimiques des effluents avant et après traitement et les performances d’épuration enregistrées sont rassemblées dans le tableau 4.. Boues d'extraction Épaississement gravitaire Eau traitée Déshydratation mécanique (filtre à bandes) Boues déshydratées (valorisation agricole) Figure 17 – Principe de fonctionnement d’une installation de traitement des rejets en papeterie (0) Tableau 3 – Performances d’épuration des rejets d’une usine de papiers fins Paramètres de pollution pH ..........m.. que nous récapitulons dans le tableau 3..... — une floculation (dosage : 2 p... — une coagulation par sels métalliques (FeCl3 au dosage de 250 p.. il subsiste de la pollution organique dissoute qu’il convient de traiter par voie biologique.... (mg/L) 850 à 1 500  250 DCO > 70 DBO5 .....5 7à8 MEST.. hydrocarbures.... — une neutralisation à la chaux éteinte avec régulation du pH en vue de la précipitation des métaux .p. — une clarification par aéroflottation [vitesse ascensionnelle de 5 m3/(m2 · h)].5 à 7.. (mg/L) 1 200 à 3 000  30 DCO .....(mg/L) 300 à 1 200  30 MEST > 90 DCO .m.. Le schéma de traitement (figure 18) comporte : — un bassin tampon et d’homogénéisation .....(mg/L) 250 à 400  100 DBO5 > 60 Coloration .... éléments métalliques précipités) .. ERI papeterie Relèvement Dégrillage Surverse épaississeur Bassin tampon d'homogénéisation Les boues flottées sont déshydratées sur filtre presse à une siccité de 30 % de MS et mises en décharge contrôlée.. (mg/L) 10 à 30 2 > 95 Hydrocarbures . 5 à 8. Caractéristiques des rejets (volume traité : 3 à 5 000 m3/j) Avant traitement Après traitement 6.) . qui ont de fortes fluctuations de composition..._____________________________________________________________________________ TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA POLLUTION INSOLUBLE Les boues sont épaissies gravitairement puis déshydratées sur filtre à bandes à une siccité de 40 à 45 % MS..p............. ■ Traitement dans l’industrie automobile des effluents de cataphorèse Ces rejets....... unités Co/Pt (mg/L) 1 000 à 2 000  300 couleur > 70 DBO5 DCO MEST demande biochimique en oxygène à 5 jours demande chimique en oxygène matières en suspension totale MEST > 98 (0) Tableau 4 – Performances d’épuration des effluents de cataphorèse Paramètre de pollution Caractéristiques des effluents de cataphorèse (volume traité : 420 m3/j) Performances épuratoires (%) Avant traitement Après traitement pH .... traité Environnement G 1 270 − 19 ... il convient de noter que l’eau traitée clarifiée.. de polymère anionique) ... présentent une pollution colloïdale à caractère essentiellement organique . Malgré les bonnes performances enregistrées. Floculation primaire Floculant cationique Floculation secondaire Décantation Filtrat Il faut noter que le traitement a permis une séparation quasi totale des insolubles (matières en suspension..8 7........... Dans les Techniques de l’Ingénieur [9] BLAZY (P. Traité Génie des procédés. 11 LB England (1985).). – Traitement des eaux avant utilisation. volume G1. [14] MOUCHET (P.L). – Flottation. [11] BLAZY (P. Co-édition Cebedoc (1988). Lavoisier Techniques et Documentation (1982).débit Flottation Reprise boues Cuves de chaulage et de stockage des boues Filtre presse Boues déshydratées Figure 18 – Principe de fonctionnement d’une installation de traitement d’effluents de cataphorèse dans l’industrie automobile Références bibliographiques [1] Degrémont. JDID (E. volume G1. Substances dissoutes G 1171 (2000). – Traitements physico-chimiques des eaux résiduaires industrielles. Mécanismes et réactifs J 3350 (2000).W. [6] BRATBY (J. volume J3. 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Traité Environnement. Traité Génie des procédés.).).