Plusieurs facteurs gouvernant la désinfection chimique de l'eau usée sont modifiés favorablement si l'on procède à une floculation-filtration, avant l'admission de chlore pour éliminer les micro-organismes pathogènes.
De nos jours, la floculation-filtration est utilisée pour le traitement avancé de l'eau usée. Des études diverses ont montré que la floculation-filtration sur matériau granuleux réduit de façon significative bon nombre de polluants comme matières en suspension et colloïdales, substances organiques, ammonium, métaux lourds, phosphore, etc.
Dans de nombreux cas, une désinfection efficace de l'eau usée est demandée afin de prévenir une contamination de l'eau réceptrice, souvent utilisée à des fins de production d'eau potable ou pour l'irrigation, les sports nautiques (natation, canotage), la culture de coquillages, etc.
L'objectif des essais sur installation pilote présentés dans cet article est d’examiner en détail tout d'abord l'effet de la floculation-filtration sur l'élimination des organismes coliformes, entérocoques, bactéries sporifères, virus, vers parasites, etc., et ensuite l'influence de ce traitement sur la désinfection consécutive par le chlore.
INSTALLATION PILOTE
Une installation pilote de filtration a été montée dans une station d’épuration d’eaux usées municipales, dans le but d'étudier l'élimination des micro-organismes déjà mentionnés, de même que d'autres substances encore présentes dans l’eau usée après les traitements mécanique et biologique. La figure 1 montre un schéma du système entier de purification : la phase de filtration correspond à notre station pilote.
Les deux filtres sur matériau granuleux ont fonctionné en parallèle (figure 2) dans laquelle on trouve :
- Q : débitmètre et régulations de débit
- Δp : manomètre (perte de charge)
- t : temps de passage et contrôle du temps.
Nos essais ont été effectués en exploitant les filtres multicouches travaillant par écoulement de haut en bas. La profondeur des couches filtrantes a été dimensionnée de façon que le filtre soit assez bas pour permettre un temps d’écoulement suffisant, sans dépasser la limite optimale de perte de pression donnée, mais toutefois assez élevé pour assurer une élimination suffisante des impuretés sans crevaison du filtre.
La station pilote était équipée également de bacs de stockage de produits chimiques, de pompes doseuses pour l'addition de floculants et de chlore, ainsi que de mélangeurs pour assurer une répartition complète des produits chimiques dans l'eau usée à traiter (figure 3).
En ce qui concerne la floculation, il est reconnu que l'apport d'énergie est d'importance primordiale afin d'atteindre une bonne déstabilisation. Pendant nos essais, nous avons travaillé avec une valeur Gt d'approximativement 12 000, où G est le gradient de vitesse et t le temps (en secondes), G étant donné par la formule :
G = √(W / (V μ)) (1)
dans laquelle :
W = apport d'énergie en watts (N m/s) V = volume de réaction en m³ μ = viscosité du liquide en N s/m².
Plusieurs floculants ont été testés : sulfate ferreux, sulfate ferrique, sulfate d’aluminium et polyhydroxy-chlorure d’aluminium.
La station pilote a été contrôlée par un micro-ordinateur (figure 4), ce qui a permis non seulement de stocker des données, mais aussi de procéder aux représentations graphiques et à l'optimalisation du système entier.
EAU BRUTE
Le tableau 1 présente la composition moyenne de l'eau usée utilisée pour les tests.
TABLEAU 1
Composition moyenne de l'eau usée avant la floculation-filtration
| Température (°C) | 12,0 |
| pH | 7,2 |
| Alcalinité (mol/m³ HCO₃⁻) | 4,6 |
| Turbidité (NTU) | 14,9 |
| Solides en suspension (g/m³) | 35,7 |
| DCO (g/m³) | 63,6 |
| DBO₅ (g/m³) | 35,0 |
| Ammonium (g/m³) | 11,2 |
| Nitrite (g/m³) | 3,7 |
| Phosphore total (g/m³) | 1,7 |
| Fer (g/m³) | 0,56 |
FLOCULATION-FILTRATION
La floculation-filtration est un système comportant de nombreuses variables. La capacité de la filtration sur matériau granuleux à séparer — à une chute de pression basse et par conséquent à un coût minime — de grandes quantités de solides en suspension, jusqu'à atteindre un contenu résiduel de moins de 1 g M.S./m³ dans le filtrat, peut être expliquée par ses mécanismes spécifiques.
L'adhérence des particules en suspension aux grains du filtre et aux flocs du floculant est due à leur inertie, ainsi qu’à l'action de phénomènes hydrodynamiques, de la gravité et d'autres mécanismes d'interception dans la masse du filtre. De ces propriétés, qui diffèrent de celles qui surviennent lorsqu'une suspension est filtrée à travers un tamis, il...
s'ensuit que le rendement de la floculation-filtration sur matériau granuleux est grandement influencé par les mécanismes et les paramètres chimiques des colloïdes qui déterminent la rétention des particules dans la masse du filtre. Or ces paramètres peuvent varier d'une manière importante.
L'efficacité de la floculation-filtration dépend en outre de la quantité des floculants et adjuvants de floculation ajoutés, du gradient de vitesse, du temps de réaction, du pH, de la taille des granules, de la charge superficielle, de la profondeur des couches filtrantes, etc.
En fonction de cette sensibilité à tous ces paramètres, une floculation-filtration sur matériau granuleux demande, pour répondre tout à fait à ces exigences spécifiques, un ajustement exact de toutes ces variables les unes par rapport aux autres ; celles-ci incluent les caractéristiques de l'équipement et l'opération de lavage à contre-courant. Il faudra en outre considérer les variations importantes de débit et de qualité rencontrées dans une station d'épuration d'eau usée municipale. Le lavage à contre-courant a finalement pour effet de détacher les solides, flocs et organismes retenus sur les granules de matériau filtrant, afin d'éviter une accumulation de matières organiques et minérales dans le filtre. De tels lavages, lorsqu'ils sont fréquents et intensifs, augmentent par conséquent l’exigence de la résistance à l’abrasion.
Des profils types des chutes de pression et des concentrations des solides en suspension, de la turbidité ainsi que de l’oxygène dissout observés pendant nos essais, sont représentés sur les figures suivantes.
La figure 6 représente un profil sur toute la hauteur du filtre après exploitation avec une charge superficielle de 10 m³/m² h pendant 24 heures. La turbidité a été réduite de plus de 30 (eau brute) à moins de 1,5 NTU (filtrat), la perte de charge étant 27 kPa et la consommation d'oxygène presque de 90 %.
La turbidité, le contenu en oxygène et la perte de charge de plusieurs filtres sur lit profond sont représentés sur la figure 7, après 22,75 heures de filtration à 20 m³/m² h. Dans ce cas, nous avons obtenu un filtrat d'une turbidité similaire mais avec une perte de charge beaucoup plus élevée (70 kPa). Avec une vitesse de filtration si importante, le profil des concentrations en oxygène suit une ligne différente.
Le tableau II montre les rendements élevés de la floculation-filtration concernant l’élimination de la DCO, la DBO₅, le phosphore, le nitrate et le fer.
A gauche : Figure 5. Au centre : Figure 6. A droite : Figure 7.
Tableau II
Composition de l'eau avant et après la floculation-filtration
| DCO (g/m³) | | DBO₅ (g/m³) | | P (g/m³) | | NH₄ (g/m³) | | NO₂ (g/m³) | | Fe (g/m³) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | | 2 | | 1 | | 2 | | 1 | | 2 | | 1 | | 2 | | 1 | | 2 | | 1 | | 2 | |
| Moyenne | | 63,6 | | 39,4 | | 35,0 | | 14,2 | | 1,7 | | 0,63 | | 1,12 | | 10,6 | | 3,7 | | 1,8 | | 0,56 | | 0,25 |
| 80 % valeur | | 77,4 | | 44,8 | | 41,2 | | 17,6 | | 2,4 | | 1,2 | | 1,61 | | 10,9 | | 4,0 | | 2,5 | | 0,71 | | 0,37 |
| Max. | | 93,1 | | 49,4 | | 43,0 | | 21,3 | | 3,3 | | 2,6 | | 1,5 | | 15,1 | | 5,1 | | 3,1 | | 0,85 | | 0,70 |
| Min. | | 41,6 | | 29,1 | | 30,3 | | 10,0 | | 0,8 | | 0,63 | | 1,02 | | 5,1 | | 4,3 | | 1,2 | | 0,28 | | 0,12 |
| Élimination % | | 38 | | 59 | | 63 | | 53 | | 51 | | 55 |
1 = Effluent d'une station d'épuration des eaux usées 2 = Filtrat
La nitrification du traitement biologique précédant le filtre est importante lors d'une désinfection complète par le chlore et dépend grandement de la température de l'eau : dans notre essai, elle était très basse ou même aux environs de zéro en hiver, et plus haute en été.
La floculation-filtration permet une réduction importante de certaines substances organiques solubles, qui réagissent avec l'ion métallique du floculant et forment des complexes insolubles. Comme exemples typiques il y a la séparation des acides humiques, acide lignosulfonique et certaines matières colorantes azoïques, où l'efficacité de la floculation-filtration dépend de la structure chimique et de la quantité de la matière organique, de la concentration en floculant aussi bien que du pH du système.
[Figure : Effet du pH sur l'élimination des produits organiques par floculation-filtration. Eau brute : 5 g/m³ acide humique ou 10 g/m³ acide lignosulfonique. Floculant : 1 g/m³ métal. Vitesse de filtration : 7 m/h. Mesures après un temps de passage de 18 heures. Courbes : Acide humique et Acide lignosulfonique.]DÉSINFECTION
Le degré d'élimination des micro-organismes (i.e. seuil de résistance) par désinfection a été exprimé par la loi de Chick. C'est une relation du premier ordre qui établit que le degré d'élimination est égal à une caractéristique constante multipliée par le nombre d'organismes survivant à tout moment :
dN/dt = kN
où … dN/dt est la vitesse d'élimination. k est la constante cinétique caractéristique de l'organisme, de la méthode et du type de désinfectant utilisé. N est la densité d'organismes survivant au moment t. t temps de réaction.
Par intégration entre les limites N₀ et Nₜ correspondant au temps zéro et t :
∫_{N₀}^{N} (dN/N) = −k ∫_{0}^{t} dt
nous obtenons
Nₜ = N₀ e^{−kt}
ou
ln (N₀/Nₜ) = kt
donc
k = (1/t) ln (N₀/Nₜ)
N₀ = nombre original de micro-organismes au temps zéro. Nₜ = nombre d'organismes au temps t.
Néanmoins, il n'est pas rare de trouver des déviations de la loi de Chick, qui peuvent être décrites par d'autres équations modifiant l'expression.
de premier ordre pour accommoder le taux croissant et décroissant des procédés, mais conservant les termes N₀ et Nₜ.
Dans nos essais concernant la destruction des bactéries coliformes, nous avons trouvé que la cinétique de désinfection suivait d'assez près l'équation de Selleck, Collins et White (3) :
N₀
——— = (1 + 0,23 ct)³ (7)
Nₜ
…où : C = chlore total résiduel (g/m³) au moment de l'observation t = temps en minutes.
La figure 9 montre l'efficacité de la floculation-filtration quant à l'élimination de bactéries coliformes de l'eau usée en contenant une haute concentration. Cela illustre clairement que la filtration sans floculation retient une plus petite quantité de bactéries coliformes que la floculation-filtration utilisant 2 g/m³ de métal, qui élimine à peu près 99,9 % de la quantité originale de ces microbes, correspondant à une réduction à moins de 10 000 bactéries par 100 cm³.
La figure 10 illustre schématiquement l'élimination des bactéries coliformes lorsque de l'eau moins contaminée est traitée. Nous avons réussi à obtenir un filtrat ayant 5 bactéries coliformes par 100 cm³. La figure 11 montre une performance similaire pour l'élimination des entérocoques.
La floculation-filtration de l'effluent d'une station d'épuration des eaux usées permet aussi et comme prévu, une réduction du montant total de bactéries. Ceci est indiqué sur la figure suivante (figure 12).
La figure 13 est une représentation graphique de la rétention des bactéries coliformes à des profondeurs différentes du matériau filtrant.
Dans nos investigations, nous avons observé que certains bacilles sporifères avaient survécu à une désinfection par le chlore, même à haute dose et temps de réaction élevé. Des différentes espèces de bacilles observées, notre microbiologiste isola un type qui présentait des propriétés optimales pour ces essais, telles culture facile, bonne sporulation, tolérance à la chaleur, colonies compactes sur agar. Ces microbes ont été appelés pour nos besoins « Bacillus A5 ». Ils présentent un comportement biochimique très similaire à celui du Bacillus subtilis. Après deux mois dans l'eau à 5 – 7 °C, le nombre de Bacillus A5 resta inchangé. Après 30 minutes à 80 °C, aucune réduction de leur nombre n’était observée. Le tableau III contient les résultats de nos essais. Sur le côté gauche du tableau sont inscrits les résultats du traitement sans floculation mais en utilisant la filtration et différentes concentrations de chlore. Sur le côté droit du tableau, nous pouvons observer l'effet de floculation-filtration avec différentes concentrations de floculant. Alors que par une simple filtration, on n'a obtenu qu'une élimination très modeste de ces bacilles, la floculation-filtration a permis d’en éliminer jusqu'à 99,9 %.
Tableau III
Concentration en bactéries : Bacilles sporifères/cm³
| Traitement sans floculant (chloration après 2 h) |
|---|
| Eau brute : 796 / 686 / 469 / 926 |
| Après filtration : 621 / 538 / 374 / 737 |
| g Cl/m³ : 1,2 / 2,3 / 4 / 6 |
| Après chloration : 624 / 500 / 332 / 608 |
| Traitement avec addition de floculant et post-chloration (chlore résiduel 8 g/m³ après 2 h) |
| Eau brute : 796 / 686 / 469 / 926 |
| Après floculation-filtration : 78 / 308 / 478 / 842 |
| Après chloration : 0,4 / 0,6 / 0,8 / 1,0 |
| Nbre/cm³ : 2 / 0,3 / 0,2 / <0,1 |
La floculation-filtration a démontré également que l'on pouvait obtenir un taux très élevé d'élimination de tous virus contenus dans l'effluent.
C’est ainsi qu’en fonction du taux de chlore, les filtrats peuvent, avec un plus faible taux de chlore total résiduel, être mieux et plus rapidement désinfectés que l'eau brute.
CONCLUSION
La floculation-filtration appliquée au traitement avancé des eaux usées est un procédé très valable, qui permet d'obtenir une bonne purification chimique et biologique de l'eau usée, et offre plusieurs avantages majeurs tant aux points de vue hygiénique que technique et économique. Elle requiert cependant une grande expérience et des données fréquentes de stations pilotes, afin que les ingénieurs soient capables de dimensionner une station de floculation-filtration avec un rendement optimal.
REFERENCES
(1) GROS Henry : « Optimalisation de floculation-filtration pour le polissage des eaux usées ». Gas, Wasser, Abwasser (CH) Nr. 5, mai (1982).
(2) CHICK H. : « Une investigation des lois de la désinfection ». J. Hyg. 8, 698 (1908).
(3) SELLECK R.E., COLLINGS H.F., WHITE G.C. : « Cinétique de la chloration de l'eau usée par des procédés à débit continu ». I.A.W.P.R. Conférence, San Francisco 1970.
