Aqualgine Alginate de sodium purifié, adjuvant naturel pour la floculation et la décantation des eaux

par , Directeur Commercial SOBREP S.A.

CLARIFICATION - FLOCULATION - FILTRATION

Les eaux de surface, et parfois les eaux souterraines, renferment des matières en suspension qui sont essentiellement la cause de la coloration et de la turbidité de l'eau. La partie la plus importante de leur traitement consiste précisément en une clarification, c'est-à-dire l'opération d’élimination de ces particules en suspension.

Si, pour une partie, celles-ci ont une taille telle qu'elles décantent naturellement par gravité, l'autre partie constitue un système colloïdal stable.

Il faut donc, pour réaliser la clarification totale, rompre aussi cet état colloïdal, et rassembler les particules les plus fines en flocons décantables. C'est le processus bien connu de la floculation, laquelle consiste, selon le procédé le plus généralement utilisé, à faire agir un électrolyte floculant qui précipite les particules.

L’action floculante de l'électrolyte sera déterminée par la valence de l'ion qui porte une charge opposée à celle de l'ion colloïdal. Les matières colloïdales présentes dans les eaux naturelles étant surtout chargées négativement, leur floculation sera recherchée par apport d'un cation à forte charge : ce sera dans la quasi-totalité des cas un cation trivalent Fe+++ ou Al+++.

Les hydroxydes métalliques formés s'agglutinent avec les colloïdes dispersés dans l'eau pour former des flocons.

Dans le procédé classique de la « filtration rapide », les flocons ainsi formés seront divisés en deux parties. Lors du processus de décantation, la plus grande partie sera retenue dans le décanteur, principalement par attraction gravitaire.

L’autre partie, beaucoup plus faible, formée des flocons les plus fins, échappera à la décantation, car la composante de la force de gravité et de la vitesse ascensionnelle de l'eau devient négative en dessous d'une certaine dimension des particules.

Ce floc sera entraîné sur les filtres à sable quartzique qui constituent le stade final de la clarification, mais le rendement des filtres sera fonction de la quantité du floc qui n’aura pu être retenu à la décantation.

Il est donc du plus grand intérêt de précipiter le maximum de flocons au niveau du décanteur, ceci ne pouvant être obtenu, toutes choses égales par ailleurs, qu'en augmentant la taille du floc.

Or, la pollution croissante des eaux gêne de plus en plus la floculation, par la présence de produits dispersants, comme des phosphates, ou d'agents tensio-actifs. Ces produits perturbent la formation du floc, et, de ce fait, diminuent le rendement des décanteurs et des filtres.

Il en résulte qu'une partie des impuretés colloïdales peut échapper à la floculation et se retrouver intégralement dans l'eau filtrée, qui de ce fait peut présenter une teneur excessive en matières organiques.

LES ADJUVANTS ACCÉLÉRATEURS DE FLOCULATION

Ces constatations ont amené les traiteurs d'eau à rechercher le moyen d'améliorer la floculation par l'addition d'un auxiliaire chimique, naturel ou synthétique, qui joue le rôle d’adjuvant de floculation et d'accélérateur de décantation.

Il est à remarquer que cette opération de traitement ne nécessite pas de transformation ni d'ouvrages supplémentaires importants, et qu'elle peut s'intégrer de façon rationnelle à une station existante qui ne parvient plus à produire une eau convenable, ou dont il s'agit d'accroître le débit.

De nombreuses substances ont été proposées comme adjuvants-accélérateurs de floculation : silicate de soude, argiles et bentonites diverses, amidons naturels et modifiés, mais les plus utilisées restent l'alginate de sodium, la silice activée et les polyélectrolytes de synthèse.

En ce qui concerne ces derniers, s'ils sont parfois très efficaces, avec une gamme de formules permettant un choix adapté au type de colloïdes à floculer, il n'en reste pas moins vrai qu’ils sont préparés à partir d'un monomère toxique (acrylamide ou métacrylate). De ce fait, leur emploi n'est, fort justement, pas

autorisé pour le traitement des eaux potables en France et dans de nombreux pays.

Si la silice activée présente un certain intérêt, elle pose toutefois des sujétions de préparation nécessitant la manipulation d’acides forts, concentrés, ce qui n'est pas sans danger pour le personnel des usines.

Par ailleurs, si sa préparation n'est pas parfaitement réglée, la résultante peut être, soit une action dispersante du floc, soit un gel de silice colloïdal inutilisable et difficile à évacuer.

LES ALGINATES DE SODIUM

ACCÉLÉRATEURS DE FLOCULATION

Pour ces raisons, les colloïdes naturels ont attiré depuis longtemps certains spécialistes français qui ont été conduits à prendre en considération des colloïdes d'origine marine : les alginates, et plus précisément les alginates de sodium, qui, en donnant d’excellents résultats, ont l'avantage de ne présenter aucune toxicité.

Le développement de leur emploi a été progressif pendant ces cinq dernières années, en France comme dans d'autres pays favorisés par l'existence de production locale.

À l'origine, il était utilisé des alginates de sodium plus ou moins purs, avec des techniques d’applications encore à leur début, ce qui donnait évidemment des résultats plus ou moins satisfaisants. Il a fallu, d'une part, aboutir à un choix d’alginates de sodium efficaces, et, d'autre part, perfectionner les techniques d'emploi.

Ces deux résultats n'ont pu être obtenus que grâce à la collaboration active d'un producteur français d’alginate de sodium avec des firmes spécialisées dans la production et la distribution d'eau potable en France et à l'étranger.

Les alginates de sodium sont des sels de l'acide alginique, et l'élément de base de leur production est cet acide alginique.

L’ACIDE ALGINIQUE

L'acide alginique est un principe existant dans les algues marines, en particulier les algues du genre LAMINARIA, qui croissent sur des fonds rocheux dans les régions à fortes marées : Bretagne, Écosse, Irlande, Norvège, U.S.A., Japon...

C’est en 1881 que le chimiste anglais STANFORD réussit pour la première fois à isoler l'acide alginique, produit se présentant sous forme d'une poudre de couleur brun clair, insoluble dans l'eau.

Après de multiples polémiques, la formule de l'acide alginique, aujourd'hui admise, fut établie par ATSBURY en 1943 :

(soit : (C₆H₈O₆)₂ M)

L'acide alginique gonfle dans l'eau en absorbant plusieurs fois son poids de liquide ; sa solubilité dans l'eau varie avec le degré de polymérisation.

Ses longues chaînes moléculaires sont instables et se dégradent d'autant plus rapidement que la température est élevée, et cette dépolymérisation est accélérée par la présence de traces d'acides minéraux.

C'est un acide relativement fort ; K = 20·10⁻⁵, qui n'est pas déplacé de ses sels alcalins par l'acide acétique (K = 1,75·10⁻⁵).

Certains esters ont pu être préparés et en particulier l'alginate de propylèneglycol.

L'acide alginique n'est pas susceptible de beaucoup d'applications industrielles et son emploi dans le traitement des eaux n'est pas réalisable en raison de sa quasi-insolubilité.

ALGINATE DE SODIUM

Les sels de l'acide alginique obtenus avec les métaux alcalins et le magnésium sont solubles, tandis que les autres sels sont insolubles.

Suivant leur concentration, les alginates solubles donnent des dispersions colloïdales plus ou moins visqueuses ayant l'aspect de solutions vraies.

Les dispersions d’alginate sont principalement caractérisées par leurs pouvoirs épaississant, gélifiant, filmogène. Ce sont des auxiliaires du plus grand intérêt économique dans tous les cas où il s'agit d'obtenir un épaississement en milieu aqueux, ceci du fait de leur efficacité même à faible dose.

Elles sont couramment utilisées dans l'industrie alimentaire pour la préparation des jus de fruits, en confiserie et pâtisserie, crèmes glacées, de la charcuterie et pour la clarification du vin.

En pharmacie, elles rentrent dans la fabrication des pommades, de la pâte dentifrice et des empreintes dentaires.

VISCOSITÉ COMPARÉE DE DIFFÉRENTS COLLOÏDES

EN SOLUTION 1 % — 25 °C EN CENTIPOISES

L'alginate de sodium est un dérivé essentiel de l’acide alginique, qui se présente à l'état de granulés fins, rapidement dispersables dans l'eau, ou de poudres fines, adaptés aux différents besoins des utilisateurs. Le produit s'établit en équilibre hygrométrique avec le milieu extérieur sans former d'hydrates définis et contient normalement de 15 à 20 % d’humidité, tout en restant pulvérulent.

L’alginate de sodium se disperse facilement dans l'eau froide ou chaude ; sous agitation, sa dispersion est complète en quelques minutes.

ACTION DES SELS MINÉRAUX SUR L’ALGINATE DE SODIUM

L'alginate de sodium est dispersable dans les solutions étendues de sels alcalins, et cela fournit un procédé pour empêcher son hydrolyse et annuler l'effet électrovisqueux, mais il n'en est plus de même avec des solutions concentrées ajoutées en grand excès, lesquelles épaississent, et même précipitent l'alginate de sodium, non plus à l'état de gel comme les acides et les sels métalliques, mais sous forme de bouillie qui conserve des propriétés agglutinantes.

Avec des sels de métaux bi ou trivalents (à l'exception des sels de magnésium), il se forme par double décomposition des alginates insolubles ; des liaisons s’établissent entre chaînes par l'intermédiaire des valences multiples, jusqu’à provoquer la prise en masse totale du produit.

La conséquence pratique de ce fait est que les utilisateurs peuvent le plus souvent réaliser sans inconvénient leurs solutions d'alginate même diluées dans des eaux naturelles lorsque celles-ci ne sont pas trop dures, la limite supérieure de dureté dépendant de la viscosité de l'alginate utilisé et plus précisément du degré de polymérisation des molécules.

C'est ainsi qu'une même quantité de sel métallique présent dans la solution peut provoquer la gélification d'un alginate « haute viscosité », alors qu’elle ne se manifestera dans le cas d'un alginate « basse viscosité » que par une augmentation plus ou moins prononcée de la viscosité.

Les dispersions d'alginate de sodium peuvent être conservées un certain temps ; elles sont parfaitement stables et leur viscosité ne varie pas. Cela confère à l'alginate une nette supériorité sur d'autres colloïdes visant aux mêmes applications, mais qui, ne possédant qu'une stabilité précaire, se dépolymérisent graduellement dans le temps.

LES ALGINATES DE SODIUM BRUTS CELLULOSIQUES

Jusqu’à ces dernières années, on ne disposait, pour le traitement des eaux, que d'alginates de sodium bruts cellulosiques ; ceux-ci furent utilisés avec plus ou moins de réussite sur des stations de traitement d'eau de consommation.

Cependant, ces alginates bruts contiennent une partie d'hémicellulose, support naturel de l’acide alginique, dont l’élimination constitue une opération onéreuse. La présence de cette substance, qui ne possède pas un caractère hydrophile marqué, rend plus délicate l'opération de dispersion et fait augmenter la dose d’emploi qui se situe, selon les eaux, entre 4 et 6 g/m³. De plus, ces produits bruts peuvent ne pas présenter toutes les garanties hygiéniques exigées, notamment dans le cas de traitement d’eaux potables, et ils laissent un dépôt cellulosique dont l’évacuation constitue de toute façon un problème.

est la désignation des alginates de sodium purifiés spécialement étudiés et mis au point pour le traitement des eaux potables, avec extension progressive au traitement des eaux industrielles ; les alginates de sodium sont débarrassés de leurs impuretés, et répondent à la définition des alginates alimentaires autorisés par l'arrêté ministériel du 28 mars 1950. L’efficacité de est très supérieure à celle des autres types d'alginates et ne peut être comparée qu’à celle des électrolytes de synthèse dont l'emploi est proscrit jusqu’alors, compte tenu de leur effet inconnu sur le système nerveux.

Deux types de sont actuellement proposés sur le marché, qui se différencient principalement par la viscosité de leur dispersion :

et

• • — de haute viscosité, doit être réservée au traitement des eaux de dureté inférieure à 10 °F, ou dont le degré hydrotimétrique de l'eau de préparation de dispersion peut être abaissé à 10 °F.
• • — de viscosité moyenne, est utilisée pour traiter les eaux de dureté comprise entre 10 et 25 °F, sans nécessité d'adoucissement préalable de l’eau utilisée pour les préparations de dispersion.

et se présentent sous la forme de granulés très fins, de couleur crème, dont la granulométrie est particulièrement étudiée pour supprimer tout risque d’envolement à la distribution et à la manutention, tout en permettant une dispersion rapide dans l'eau pour la préparation de la solution-mère.

Ces deux types de forment dans l'eau une réelle dispersion colloïdale stable, contrairement aux alginates cellulosiques qui n’autorisent que la formation d'une suspension plus ou moins précaire.

La réactivité de et est telle que certaines précautions pour leur mise en œuvre doivent être prises afin de pouvoir bénéficier de toute leur efficacité. Il paraît utile de définir les modalités de préparation et de distribution pour l'utilisation de ces adjuvants, ceci avec conception d'installations adaptées à tous les cas de traitement.

DOMAINES D’APPLICATION DE

L'utilisation de peut être prévue sur toute installation de traitement d'eau justifiant l'emploi d'un adjuvant de floculation, accélérateur de décantation.

1. 1) Elle est notamment indiquée dans le cas d’eau à forte turbidité colloïdale ; eau « d’après crue », de fonte de neige, et d'eau « froide » d'une manière générale. Il n'existe en fait, à notre connaissance, aucune eau sur laquelle l'effet de ne soit pas bénéfique à la floculation, et par conséquent à la bonne fin du traitement tout entier.
2. 2) L'emploi de s'impose en cas de floculation incomplète, car cette déficience conduit forcément à une eau de mauvaise qualité d’où éventuellement un « empoisonnement » du réseau de distribution par l’hydroxyde métallique résiduel du floculant utilisé.
3. 3) L'emploi de se justifie lorsqu’une eau est, ou devient, difficilement floculable avec les taux de réactifs coagulants usuels : cas de plus en plus général, compte tenu de l'aggravation de la pollution des eaux brutes et du fait que l'on veut obtenir des clarifications poussées (effet Tyndall et coloration nuls).
4. 4) permet d’obtenir tout à la fois un floc dense constitué d'éléments de grandes dimensions et bien homogènes, de formation plus facilement accélérée, qui décantent mieux.

De plus, l'économie du réactif floculant est de l'ordre de 20 à 50 %.

participe aussi dans une large mesure à l'amélioration du rendement des décanteurs par une meilleure cohésion des boues, et une accélération de la décantation. Elle apporte une amélioration notable de la qualité des eaux filtrées, ainsi qu'une diminution du taux d'agent stérilisant nécessaire pour l'obtention de l'eau potable.

(1) Marque déposée en France et dans de nombreux pays.

1°) Sur l'eau du Doubs : comparaison avec la silice activée, un alginate cellulosique et le sulfate d'alumine seul.

La courbe ci-dessous démontre une décantation plus rapide avec l'utilisation de « O », ainsi qu'une turbidité résiduelle moins élevée.

2°) Sur l'eau de la Marne : où l'on réalise une économie de 33 % du taux de floculant, mais à qualité d'eau traitée équivalente.

Figure 3 ci-contre.

3°) Sur l'eau de la Seine : avec le sulfate d’alumine et le chlorure ferrique dans l'un et l'autre cas, la vitesse de décantation est plus rapide avec l'utilisation de .

— Figure 4 (page suivante)

Nous avons étudié ici le moment optimal de l’injection de .

s'emploie avec tous les électrolytes floculants courants, tels le sulfate d’aluminium, les polychlorures d’aluminium, le chlorure ferrique, le sulfate ferrique, etc.

Son efficacité n'est pas affectée par les écarts de pH que l'on rencontre au cours de la floculation des différentes eaux naturelles utilisées pour les réseaux publics ou industriels ; les eaux granitiques bretonnes à pH 6 et au-dessous, comme les eaux calcaires des massifs alpins à pH 8 et au-dessus, se prêtent également à l'utilisation de .

CONDITIONS D'UTILISATION DE

Ainsi que nous l'avons souligné plus haut, cet adjuvant de floculation se « dissout » facilement par agitation en formant une véritable dispersion colloïdale stable. Eu égard aux doses minimes à mettre en œuvre, il est indispensable de préparer une dispersion-mère, qui sera introduite en phase liquide dans le circuit.

La grande efficacité de se traduisant par un pouvoir de précipitation accru en présence de sel métallique, et plus particulièrement de sel de calcium, la réalisation de cette dispersion-mère, pour le type « O », doit être effectuée avec une eau de TH ne dépassant pas 10° français. De 10 à 25°F, on doit utiliser -SA. Au-dessus de 25°F, il est souhaitable d’adoucir l'eau de dispersion-mère, ceci étant la seule sujétion inhérente à l'emploi de .

Pour la dispersion-mère de , il est conseillé de la préparer à la concentration de 1 g/litre (dose exprimée sur produit sec).

TAUX D'UTILISATION DE

Les nombreux essais effectués, tant en laboratoire que sur les stations, ont montré que le taux d'utilisation maximum se situe vers 0,5 g/m³ ; ce taux peut être pris comme base de calcul, dans toutes les stations devant utiliser ce réactif.

Compte tenu de ce taux d'utilisation, on peut prévoir, en fonction du débit nominal de la station de traitement, deux types d'installation :

• - jusqu'à 500 m³/h : préparation discontinue de la dispersion
• - au-dessus de 500 m³/h : préparation continue de la dispersion

Bien entendu, des cas d'espèce peuvent faire exception à cette règle.

INSTALLATION AVEC PRÉPARATION DISCONTINUE DE DISPERSION PAR CUVÉE(Station dont le débit est inférieur à 500 m³/h) — schéma I

Il est souhaitable de prévoir deux cuves (une en service, l'autre en préparation) dimensionnées selon le débit de la station et pour l'autonomie de fonctionnement désirée.

La dispersion-mère d' étant neutre, il n'est pas nécessaire de s'équiper de cuves à revêtements intérieurs anticorrosion.

SULFATE D'ALUMINE.

SULFATE D'ALUMINE +

CHLORURE FERRIQUE

CHLORURE FERRIQUE +

Elles sont munies chacune, soit d'un agitateur fixe, soit encore d'un seul agitateur « bord de cuve » amovible.

Si le TH de l'eau du réseau est supérieur à 10 ° français pour une solution d'« O », ou à 25 ° pour celle de l'« SA », il faudra faire un apport d'eau adoucie pour que le mélange des deux eaux dans la cuve donne un TH (°) respectivement de 10 ou 20 ° F.

Pour que la dispersion s'effectue dans les meilleures conditions, sera déversée au moyen d'un appareil distributeur à sec, de préférence à l'endroit de la cuve où l'agitation est la plus importante, et à la dose de 1 g/litre.

Les cuves devront être pourvues de purge, d’un trop-plein, et de vannes permettant les mises à l'égout, et de départs pour l'envoi de la solution vers la pompe et la canalisation, d'un débit et d'un diamètre appropriés.

La solution-mère ayant été préparée à la concentration de 1 g/l, le débit sera de Q m³/h, et le rotamètre devra indiquer un débit correspondant à :

0,5 Q m³/h  
——————  ou 0,5 Q litre/h.  
1 000

INSTALLATION AVEC PRÉPARATION EN CONTINU DE LA SOLUTION(Station dont le débit est supérieur à 500 m³/h) – Schéma II

Une seule cuve est nécessaire, dimensionnée de manière à ménager un temps de contact de la solution d'une heure minimum (dissolution et « maturation »), et sera cloisonnée pour assurer la bonne circulation de l'eau.

Cuve II

À mettre en œuvre lorsque le TH de l'eau du réseau dépasse 25 ° F avec l'« SA » ou 10 ° F avec l'« O ».

Elle sera équipée d'un agitateur fixe et de départs isolables vers la pompe de distribution et vers l’égout.

L'alimentation de la cuve en eau se fera par une arrivée unique, commandée par un flotteur, pour maintenir un niveau constant, étant déversée dans la cuve par un distributeur à sec, dans les mêmes conditions qu'au schéma I.

Pour une eau de réseau avec TH inférieur à 10 ° français dans le cas de l'« O » ou 25 ° français pour l'« SA », le mélange d'eau du réseau et d'eau adoucie devra s'effectuer en amont de la canalisation qui alimente la cuve.

Le dosage sera assuré par le distributeur à sec qui délivrera 0,5 Q gramme par heure, pour un débit réglé à 0,5 Q litre par heure, de façon à maintenir la concentration de 1 g/litre.

EXEMPLES DE TRAITEMENT

I — STATION MUNICIPALE DE MEAUX (77100 – S.-et-M.)

— Eau potable : capacité de production 24 000 m³/jour.

— Caractéristiques physico-chimiques moyennes de l'eau brute prélevée dans la Marne : Résistivité : 7,7 × 10³ ohms cm²/cm à 20 °C TH : 26 ° F TAC : 23 ° F Chlorures : 30 mg/l

— Coagulant : chlorure ferrique en solution 45 ° Baumé, utilisé au taux moyen de 25 g/m³.

— Floculation-décantation : floculateurs à brassage lent et décanteurs du type à flux horizontal.

— Adjuvant de floculation-accélérateur de décantation : « O » (dose moyenne sur 12 mois d'exploitation : 0,40 g/m³).

II — STATION DE LA NORVILLE (Seine-Maritime) — Syndicat mixte de Port-Jérôme, exploitée par la C.G.E.

— Eau industrielle : production 85 000 m³/jour.

— Caractéristiques physico-chimiques moyennes de l’eau brute prélevée dans la Seine :

Résistivité : 1 800 ohms

TH : 31 °F

TAC : 21 °F

Chlorures : 29 mg/l

Matières en suspension : 40/50 g/m³ (variable selon l’effet de la marée) – mini 5 g/m³, maxi 1975 g/m³.

— Coagulant : sulfate d’alumine utilisé au taux moyen de 60 g/m³ (17-18 % Al₂O₃).

— Floculation-décantation : pulsators Degrémont.

— Adjuvant de floculation-accélérateur de décantation :

« SA » – dose moyenne sur 12 mois d’exploitation : 0,30 g/m³.

III — STATION DE SAINT-BARTHÉLÉMY — Ville de St-Brieuc

— Eau potable : capacité de production 28 800 m³/jour.

— Caractéristiques moyennes de l’eau brute prélevée dans la rivière du Gouët :

Résistivité : 8 000 ohms/cm²/cm à 20 °C

pH : 6,8 à 7,2

TH : 4 °F

TAC : 2 °F

Matières organiques en milieu acide (O₂ emprunté à KMnO₄) : 5 à 10 mg/l.

— Coagulant : sulfate d’alumine (17-18 % Al₂O₃) utilisé au taux moyen de 40 g/m³.

— Floculation-décantation : floc lesté par microsable.

— Système Cyclofloc – Compagnie européenne de Traitement des Eaux.

— Adjuvant de floculation-accélérateur de décantation :

« O » – dose moyenne sur 12 mois d’exploitation : 0,4 g/m³.

QUELQUES RÉFÉRENCES D’UTILISATION

C.E.B. à Suresnes : 50 000 m³/j

S.A.U.R. à Ussac : 8 000 m³/j

C.E.O. à Arles-sur-Rhône : 2 000 m³/j

Ville de Blois : 14 000 m³/j

S.L.E.E. à Guerlesquin : 2 500 m³/j

S.L.E.E. à Kernilis : 800 m³/j

Nancéienne des Eaux à Vandoeuvre : 100 000 m³/j

C.G.E. à Toul : 8 000 m³/j

Sablaise des Eaux à Longwy : 12 000 m³/j

S.F.D.E. à Annet-sur-Marne : 25 000 m³/j, etc.

CONCLUSIONS

Par ses nombreuses et sérieuses références d’utilisation, peut être considérée actuellement comme l’adjuvant moderne, accélérateur de décantation, dont l’emploi est chaque jour plus objectivement justifié pour le traitement des eaux de consommation.

C’est le meilleur produit de ce type qui réponde aux impératifs de sécurité, de facilité d’utilisation, et surtout d’hygiène publique.

Se révèle un des meilleurs auxiliaires pour la clarification des eaux, constituant une barrière supplémentaire à la pollution.

Extraite des algues marines filles de l’« Onde Amère », apporte son active contribution à la bataille de l’eau douce.

G. LANCELOT.