traitement phisico chimique

LE TRAITEMENT PHYSICO-CHIMIQUE DES EAUX USEES
Objectifs et principe
Il s'agit d'éliminer la pollution dissoute et particulaire par action de réactifs chimiques. Ces réactifs vont favoriser le passage de la forme dissoute des polluants à une forme particulaire insoluble dans l'eau ou à une forme gazeuse. Les matières polluantes devenues insolubles seront éliminées par décantation.
On aura ainsi deux phases :
- phase chimique : ajout des réactifs :
- phase physique : séparation des solides de l'eau à traiter : phase de décantation
Dans le domaine de l'épuration, le traitement physico-chimique de la pollution est classé parmi les traitements secondaires, le traitement primaire correspondant à un processus unique de prédécantation des eaux usées.

Caractéristiques des matières polluantes à éliminer
Les matières en suspension
- Matières d'origine organique (débris d'animaux et de végétaux) ou minérale (sables, limons…).
- Elles représentent la fraction décantable des MES, de la DCO, de la DBO5, de l'azote de Kjeldahl et du phosphore total.
- Taille de 1 µm à 1 mm et plus
- Ces matières sont naturellement décantables, donc peu visées par la phase chimique. Elles seront éliminées lors de la décantation.
Les matières colloïdales
- Matières de mêmes origines que les matières en suspension.
- Elles représentent une fraction (fraction colloïdale) de la DCO, de la DBO5, de l'azote de Kjeldahl et du phosphore total non particulaire.
- Taille : 50 à 500 nm.
- La décantation naturelle de ces matières est extrêmement lente, puisqu'on estime qu'il leur faut de 2 à 200 ans (extrapolation) pour sédimenter dans une colonne de 1 mètre d'eau.. Il faudra donc provoquer leur insolubilisation pour pouvoir les éliminer par décantation.
Les matières dissoutes
- Matières d'origine organique (briques élémentaires de la matière vivante et polymères associés…) ou minérale (phosphates, azote réduit pour les principaux).
à Elles représentent la fraction dissoute de la DCO, de la DBO5 de l'azote de Kjeldahl et du phosphore total.
- Taille : 0,5 à 100 nm pour les matières organiques et de 0,1 à 1 nm pour les minéraux.
- La décantabilité naturelle de ces matières est nulle, on comptera donc sur le réactif chimique pour favoriser leur passage de la phase dissoute à la phase gazeuse ou pour favoriser leur passage de la phase dissoute à la phase insoluble.
Le comportement des ces matières dissoutes vis à vis des réactifs chimiques couramment employés dans le traitement des eaux est très variable. En effet, les réactifs chimiques ont une action très infime sur les matières organiques, bien qu'on note une co-élimination avec les matières colloïdales. Par contre eux réagissent très bien avec certains minéraux, comme les phosphates par exemple.


Conclusion
Les traitements physico-chimiques des eaux usées seront essentiellement dirigés vers :
- une élimination " provoquée " des colloïdes et des ions phosphates
- une élimination naturelle des matières en suspension par décantation
Phase chimique
Elimination des colloïdes
Les colloïdes sont caractérisés par une grande stabilité lorsqu'ils sont dans l'eau, c'est à dire leur capacité à rester en suspension. Cette caractéristique est due à leur structure moléculaire.
Stabilité des colloïdes
Les particules hydrophiles déshydratées se dispersent spontanément dans l'eau et sont entourées de molécules d'eau qui préviennent tous contacts ultérieurs entre les particules. De plus elles possèdent habituellement des charges électriques négatives situées à leur surface. Ces charges, dites " primaires ", attirent les cations en solution dans l'eau, lesquels adhèrent fortement à la particule et attirent à leur tour des ions négatifs accompagnés d'une faible quantité d'ions positifs, il y a formation d'une double couche :


Fig : double couche d'une particule colloïdale. D'après R. Desjardins- le traitement des eaux
La couche liée est formée par des ions qui adhèrent fortement alors que la couche diffuse est formée par des ions qui adhèrent faiblement. Il y a un gradient électrostatique entre la surface de la particule et la solution empêchant les phénomènes d'agglomération entre colloïdes. Les forces en jeux peuvent être schématisées par le graphe suivant :


Fig : variation du potentiel de répulsion en fonction de la distance qui sépare deux particules
D'après R. Desjardins- le traitement des eaux
La courbe (E) schématisant le phénomène général de répulsion électrostatique est la résultante de la courbe de l'énergie d'attraction, (Ea) (interactions de Van der Waals) et de la courbe de l'énergie de répulsion (Er) (gradient électrostatique). Lorsque la distance qui sépare deux particules est supérieure à la distance critique L, les forces de répulsion l'emportent.
Pour favoriser les forces d'attraction (courbe Ea) il faut rompre la stabilité des colloïdes en comprimant la double couche.
Déstabilisation des colloïdes
Cette déstabilisation, ou coagulation, correspond à l'ajout d'un cation trivalent métallique, le coagulant, qui va faire augmenter la force ionique de l'eau, provoquant la compression de la double couche. L'énergie de répulsion (Er) sera neutralisée et les particules pourront alors s'agglomérer sous l'influence des interactions de Van der Waals (Ea). Le résultat de cette compression est présenté ci-dessous :
Fig : variation du potentiel de répulsion en fonction de la distance qui sépare deux particules après compression de la double couche.

D'après R. Desjardins- le traitement des eaux
La coagulation correspond à deux phénomènes :
- adsorption et neutralisation des charges des colloïdes
- emprisonnement des particules colloïdales dans un précipité : les cations trivalents métalliques (Me3+) utilisés ont la particularité de s'hydrolyser au contact de l'eau et forment un hydroxyde métallique insoluble lorsqu'ils sont à pH neutre :


Coagulants utilisés
Sels d'aluminium

Le plus utilisé est le sulfate d'aluminium :
- présentation commerciale : poudre blanche à 18 molécules d'eau : Al2(SO4)3,18H2O.
- nom commercial : sulfate d'alumine
- réactions au contact de l'eau :


Cette réaction est optimale à pH compris entre 6 et 7,5 (prédominance de la forme Al(OH)3)
- doses utilisées en traitement des eaux usées : 100 à 300 g/m3 en Al2(SO4)3,18H2O
- risques et sécurité : Il est classé parmi les produits irritants (Xi)
Sels de fer
le plus utilisé est le chlorure ferrique :
- présentation commerciale : liquide brun correspondant à une solution à 594,5 g/L en FeCl3.
La solution commerciale est présentée comme étant une solution de densité = 1,45 à 41 % de pureté en chlorure ferrique
- nom commercial : chlorure ferrique
- réaction au contact de l'eau :


Cette réaction est optimale à pH compris entre 5 et 9 (prédominance de la forme Fe(OH)3)
- doses utilisée en traitement des eaux usées : 50 à 250 g/m3 en FeCl3
- risques et sécurité : il est classé parmi les produits nocifs (Xn)


Elimination du phosphore
Le phosphore soluble des orthophosphates et des polyphosphates est éliminé par précipitation avec le coagulant. Le phosphore particulaire sera éliminé lors de l'étape de décantation avec les autres matières en suspension.
Réactions
A pH neutre, la forme hydrogénophosphate prédomine :


Dans la pratique on constate que la dose réelle de chlorure ferrique ne correspond pas à la stœchiométrie de la réaction mais qu'il faut un excès de réactif. La dose optimale sera donc déterminée au laboratoire grâce au jar-test, test que nous décrirons plus loin.
- chlorure ferrique(FeCl3) en solution commerciale (d =1,45 - 41 % de pureté )
- chlorosulfate ferrique (FeClSO4) en poudre, autrement appelé Clairtan.

Autres polluants
Les coagulants n'ont qu'une action très limitée sur l'azote de Kjeldahl et la fraction soluble de la DCO et de la DBO5. Cette dernière est le plus souvent indirecte et correspond à des phénomènes d'adsorption sur les particules déstabilisées ou sur les précipités.
Ce processus devra donc être complété si on veut éliminer la fraction dissoute de l'azote de Kjeldahl, de la DCO et de la DBO5 .


Phase physique
Il s'agit de favoriser l'agglomération des matières coagulées ou précipitées pour former un solide qui sera éliminé de l'eau par décantation.
Maturation du solide : la floculation
Cette phase préalable à la décantation consiste à favoriser l'agglomération des matières déstabilisées ou précipitées sous l'influence d'une agitation lente. On cherche à favoriser le contact entre les particules pour permettre leur agglomération, sans non plus briser les agglomérats que l'on appelle : Floc. Ce floc est assez fragile puisque les interactions qui le maintiennent sont des interactions de Van der Waals.
Cette phase peut être optimisée par l'ajout d'un adjuvant de floculation : le floculant. C'est une molécule organique, cationique et polymérique qui va favoriser les pontages entre les particules déstabilisées.

Principe de la décantation
Les particules en suspension, dont la densité est supérieure à celle de l'eau, sédimentent sous l'influence de leur propre poids et s'accumulent au fond de l'ouvrage. L'eau décantée est collectée en surface. Le moteur de cette séparation est donc la gravité.
On distingue deux types de décantation :
- décantation des particules grenues
- décantation des particules floculantes

Décantation des particules grenues
Ce type de décantation est caractérisé par le fait que les particules conservent leurs propriétés physiques initiales : forme, dimension et densité.
La vitesse de chute de la particule est indépendante de la concentration en solides, et augmente jusqu'à ce que la force de décantation (poids) s'équilibre avec les forces de frottement : la vitesse de sédimentation est donc constante. On peut alors schématiser cette décantation comme suit :

Fd = force de décantation due à la pesanteur (dépend de la densité de la particule)
Ff = force de frottement = résistance de l'eau (dépend de sa viscosité)

Décantation des particules floculantes
Durant la décantation, les particules s'agglomèrent à un certain rythme formant ainsi des particules de dimension et de densité qui augmentent . La vitesse de chute de la particule varie au cours de la décantation et ne dépend que de la concentration locale en particules (hypothèse de Kynch). Ces phénomènes sont représentés par la courbe de Kynch : évolution de la vitesse de sédimentation en fonction du temps.



AB = phase de coalescence : séparation particules /eau plus ou moins nette
BC = augmentation constante de la vitesse de chute de la particule en fonction du temps
CD = ralentissement progressif de la vitesse de chute de la particule : les particules se gênent
DE = décantation fortement freinée : décantation en flux piston
Fig 4 : courbe de Kynch
D'après Degrémont- Mémento technique de l'eau

Procédé de décantation
Dans un procédé industriel, comme dans une station d'épuration, la phase de décantation a lieu en continu. Les ouvrages sont alimentés par un flux d'eau constant qui entre et qui sort de l'ouvrage tout en permettant la décantation des solides.


Bases de fonctionnement des décanteurs
Pour que la décantation des solides puisse se faire correctement, il faut que la vitesse de l'eau soit inférieure à la vitesse de sédimentation des particules. Cette vitesse de l'eau est appelée charge hydraulique superficielle ou vitesse de Hazen (VH) et sert au dimensionnement des décanteurs.

Q = débit d'eau à l'entrée du décanteur en m3/h
S = surface du décanteur en m²
Conditions de capture des particules


Pour les deux types de particules, les conditions de capture sont identiques :
1 Lorsque la vitesse de sédimentation de la particule (VP) est inférieure à la vitesse de Hazen (VH), les particules ne sont pas capturées et partent avec l'eau traitée.
2 Lorsque la vitesse de sédimentation des particules (VP) est supérieure à la vitesse de Hazen (VH), les particules sont capturées par le décanteur et s'accumulent au fond de l'ouvrage.
Dans le cas de la décantation d'une particule grenue, la droite transversale représente la vitesse minimale que la particule doit avoir pour être capturée.
Dans le cas de la décantation d'une particule floculante, la courbe transversale traduit le fait que la vitesse de la particule augmente au cours de la décantation( VP < V'P). Le temps de séjour est, pour ces particules, le facteur limitant.
Enfin, particules grenues (matières en suspension de l'eau usée) et particules floculantes (flocs de colloïdes coagulés et précipités de phosphates) pourront être retenues dans le même ouvrage en imposant une vitesse de Hazen qui permettra la capture de chacune de ces particules.



Bilan

Détermination de la dose de coagulant/floculant
Quelque soit la matière à coaguler ou à précipiter, la détermination de la dose optimale de coagulant/floculant se fait au laboratoire grâce à un Jar-test :
- introduction de quantités croissantes de coagulant dans des jarres (6) contenant un litre d'eau à traiter et munie d'une hélice d'agitation
- agitation rapide (150 rpm) pendant 3 minutes : phase de coagulation
- introduction éventuelle du floculant
- agitation lente (40 rpm) pendant 10 minutes : phase de floculation
- arrêt da l'agitation et attente de 20 minutes : phase de décantation
- analyse des différents paramètres de la pollution sur le surnageant et détermination des rendements d'élimination de la pollution
- On choisit la jarre qui présente les meilleurs rendements, la dose optimale de coagulant, appelée taux de traitement, correspondant à la quantité de coagulant injecté pour un litre d'eau usée de la jarre sélectionnée. Le taux de traitement s'exprime en mg de coagulant /L d'eau usée (ou en g/m3).

Filière de traitement