La flottation

Claude CAMILLERI Directeur à SGN Vice-président C.S.N.H.P. Président A.F.I.T.E.

1.1. PRINCIPE

La flottation est un procédé de clarification gravitaire qui utilise l'aptitude des particules insolubles à se déplacer dans un champ de force sous l'effet de leur masse et de la poussée hydrostatique, et d’atteindre une vitesse limite.

La connaissance de cette vitesse commande le dimensionnement des appareils. On peut la calculer avec une assez bonne précision en assimilant la particule à une sphère. En effet, si l'on égale les forces de poussée aux forces de frottement, on obtient :

\[ W^2 = \frac{4}{3} \cdot \frac{\gamma \cdot d \cdot (\rho' - \rho)}{C_x} \tag{1} \]

où \( W \) est la vitesse limite de la particule, \( d \) son diamètre, \( \gamma \) l'accélération du champ de force, \( \rho' , \rho \) les poids spécifiques de la particule et du liquide, \( C_x \) le coefficient de traînée.

Nous savons, par ailleurs, que le \( C_x \) est une fonction du nombre de Reynolds, et que pour des Reynolds faibles (< \( 10^2 \)), on a, avec une assez bonne précision pour la sphère :

\[ C_x = \frac{24}{Re} \]

\[ Re = \frac{W d}{\nu} \]

où \( \nu \) est la viscosité cinématique.

On en tire la formule de Stokes :

\[ W = \frac{\gamma \cdot d^2 \cdot (\rho' - \rho)}{18 \, \nu \, \rho} \tag{2} \]

qui s'applique avec une assez bonne précision lorsque le nombre de Reynolds est faible, soit :

\[ Re = \frac{W d}{\nu} < 100 \]

ce qui est le cas pour des particules de faible dimension.

Dans la décantation, la vitesse ascensionnelle ne pourra être supérieure à la vitesse limite de la particule la plus petite. On cherche donc à augmenter cette vitesse limite dans toute la mesure possible. En particulier, on peut agir sur :

• — l’accélération, ce qui est le cas dans les centrifugeuses ;
• — la taille des particules, ce qui conduit à la floculation ;
• — éventuellement, la viscosité par action de la température.

Dans la flottation, on agit essentiellement sur la densité apparente que confère à une particule l'accrochage de bulles gazeuses.

Pour préciser l’intérêt de la flottation, prenons l'exemple d’une particule de 0,1 mm de diamètre et de poids spécifique 1,05, ce qui est faible, mais se rencontre souvent dans le traitement d’effluents, notamment avec les matières organiques. La décantation d'une telle particule s'effectue à une vitesse limite de 1 m/h. La même particule, ayant accroché une bulle d’un volume égal au sien, s’élève dans le milieu à une vitesse de 14,5 m/h. Par contre, si la particule avait un poids spécifique de 1,5, elle décanterait à la vitesse de 10 m/h et elle ne flotterait qu’à une vitesse de 7,7 m/h.

Cet exemple montre bien qu’en général flottation et décantation ont le plus souvent des domaines d’application différents, la flottation étant plus adaptée à la séparation.

des matières légères, et la décantation à la séparation des matières lourdes.

En fait, le processus de la décantation et fait intervenir d'autres facteurs, en particulier :

— la probabilité de rencontre bulles-particules, — l'aptitude des bulles à se fixer sur les particules.

La probabilité de rencontre dépend : — du nombre de bulles, — de la section d'une bulle (section de capture), — du temps de séjour des bulles dans le milieu, — de la turbulence régnant dans le milieu.

Le nombre de bulles N pour une même quantité de gaz mis en œuvre est :

N = K₁ .

la « section de capture » est S = K₂ . d², et le temps de séjour T est une fonction inverse de la vitesse limite :

T = K₃ .

Dans un milieu où la turbulence serait constante, la probabilité de rencontre des particules et des bulles en fonction du diamètre de celles-ci est donc de la forme :

P = N . S . T = K₁ . K₂ . K₃ .

Quant à l’aptitude des bulles à se fixer sur les particules, elle dépend également de la taille des bulles par suite de phénomènes de tension superficielle où la courbure de surface joue un rôle important, mais également de l'hydrophobie de surface des particules. On peut d’ailleurs évaluer cette caractéristique par la mesure de l’angle de mouillage α entre la bulle et la particule, l’accrochage étant d’autant plus solide que l'angle α est grand. On verra d’ailleurs que cette caractéristique peut être modifiée par des agents chimiques.

En fait, hydrophobie des particules et diamètre des bulles sont les paramètres fondamentaux.

Accrochage solide             Accrochage faible

Même si l’efficacité ne suit pas proportionnellement la probabilité de rencontre, il est évident qu'elle est très dépendante du diamètre des bulles et l’expérience montre qu’entre des bulles de 50 μ ou de 100 μ de diamètre, les rendements sont très différents.

1.2. LE CHOIX DU DIAMÈTRE DES BULLES ET DU DÉBIT UNITAIRE

Le diamètre idéal doit donc être le plus faible possible. Toutefois, la limite inférieure est donnée par la vitesse de descente du liquide qui permet de fixer une taille en dessous de laquelle les bulles sont entraînées par le courant d'eau, et donc perdues.

L’expérience montre qu’avec les procédés que nous décrirons plus loin, il est possible d’obtenir des bulles d'un diamètre moyen de 50 à 70 μ, ce qui représente un bon compromis entre efficacité et débit.

En appliquant la formule de Stokes (2) à ces diamètres, on obtient aisément des vitesses limites de l'eau de 5 à 7 m/h au-delà desquelles on commence à perdre des bulles par entraînement avec l'eau traitée.

En réalité, la population de bulles suit une loi de Gauss comme nous le montre la figure ci-dessous, et l'on voit sur une telle courbe la quantité de bulles qui est perdue à chacune des vitesses de descente de l'eau qui est envisagée.

On peut ainsi en déduire cette vitesse, qui est un compromis entre un débit unitaire acceptable et une perte minimum de bulles, déterminer le débit traversier de la cellule.

2. TECHNOLOGIE

2.0. Production des bulles

Les moyens mécaniques (turbines, poreux) ne permettent pas de produire des bulles de si faible dimension. Les seuls moyens connus à ce jour pour produire de telles bulles sont : — l’électrolyse de l'eau, — la détente d'eau pressurisée saturée en gaz.

2.1. L’électroflottation

L’électrolyse de l'eau produit un dégagement gazeux d'oxygène et d’hydrogène. Pour des tensions et des intensités bien définies et avec des électrodes appropriées,

On peut ainsi produire des bulles gazeuses de 50 à 70 µm de diamètre (Fig. 9).

Le dégagement gazeux suit la loi de Faraday :

M = \( \dfrac{A I t}{n F} \)

où A est le poids atomique I est l’intensité t est le temps n est la valence F est une constante égale à 9,648 × 10⁴ M est la masse électrolysée.

On obtient pour 100 A/h un dégagement théorique de 62 litres de gaz aux conditions normales. En fait, compte tenu des pertes Joule dans l’électrode, le dégagement réel est d’environ 55 litres pour 100 A/h. Ceci représente un dégagement d’environ 150 millions de bulles par seconde pour une électrode de 100 ampères.

La dimension des bulles est fonction de la forme de l’électrode et de la tension appliquée. La tension dépend de l’écartement des électrodes et de la résistivité du milieu. Pour une même électrode, plus la tension est élevée, plus les bulles sont fines.

2.2. L’aéroflottation

L’aéroflottation, appelée flottation à l’air dissous (D.A.F. dans les pays anglo-saxons), utilise la détente d’eau pressurisée saturée en gaz (Fig. 10). En effet, la solubilité des gaz dans l’eau suit, à température constante, la loi de Henry :

\( C = K p \)

où C est la concentration en gaz dissous p est la pression partielle du gaz K est une constante.

En saturant en gaz dissous de l’eau sous une pression p et en diminuant celle-ci d’une valeur Δp, on obtient un dégagement gazeux proportionnel à Δp. Si la détente est rapide (vanne, diaphragme, etc.), on obtient ainsi un dégagement de fines bulles de gaz, de dimensions voisines de celles obtenues par électroflottation.

À 20 °C, on peut ainsi dissoudre dans l’eau 18,68 litres d’air par mètre cube et par kilo de pression effective, dont 34 % d’oxygène.

Cette solubilité varie en fonction de la température et décroît lorsque celle-ci augmente (Fig. 2). Elle diminue avec la salinité de l’eau. Par contre, la vitesse de dissolution augmente avec la température.

La dissolution d’air dans l’eau demande, pour être rapide, une agitation importante que l’on crée généralement soit au moyen des bulles mêmes, soit par un moyen mécanique.

La dimension des bulles varie avec la pression de pressurisation. Le diamètre moyen de la population de bulles émis décroît d’une manière linéaire lorsque la pression de pressurisation augmente (Fig. 3). La dimension des bulles varie également légèrement avec le taux de saturation en air (Fig. 5).

On peut ainsi jouer sur le diamètre d'une manière plus nette que dans le cas de l’électroflottation. Cette possibilité permet, comme dans le cas précédent, d’optimiser la flottation en recherchant le compromis entre la vitesse, c'est-à-dire le débit et l'efficacité.

On peut créer la saturation et la détente dans le liquide lui-même, ce qui favorise la génération des bulles directement sur les insolubles. Malheureusement, la fragilité de la majorité des flocs est peu compatible avec le passage dans une pompe de pressurisation et un organe de détente. C’est la raison pour laquelle ce système est peu utilisé. Le plus généralement, on effectue la pressurisation d’une partie de l'eau traitée qui est réintroduite dans le système.

Il existe différents systèmes de pressurisation, la plupart introduisent dans un ballon eau pressurisée et air comprimé qui sont mélangés.

Dans le système présenté ici, le compresseur d’air a été supprimé et il ne reste plus qu'une pièce en mouvement, la pompe. Celle-ci délivre une pression de l’ordre de 8 bars, ce qui permet par une chute de pression d’environ 3 bars d’aspirer et de comprimer l’air atmosphérique ou tout autre gaz dans un appareil appelé « hydrocompresseur ». Outre la simplification due à la suppression du compresseur et de toute régulation souvent sujette à panne, ce système permet une bonne saturation de l'eau dans un volume réduit par suite du grand interface gaz-liquide produit par la tuyère de l'hydrocompresseur. Quant à la détente génératrice des bulles, elle est produite soit par une vanne, soit par un orifice calibré réglable qui permet d’obtenir des bulles fines et régulières. Les populations de bulles produites par l’aéroflottation et par l'électroflottation sont voisines (Fig. 4).

L’obstacle majeur à surmonter dans les systèmes de flottation à air dissous est le risque de coalescence des bulles dont une partie peut devenir ainsi inutilisable pour la flottation.

2.3. Floculation

L'efficacité des systèmes de clarification gravitaire est liée à la vitesse de sédimentation des particules qui est, comme nous l’avons vu, une fonction du carré du diamètre apparent. Pour la flottation, on doit ajouter que les bulles se fixent plus aisément sur les grosses particules que sur les petites. À la limite, il est même impossible de fixer des bulles sur des particules très petites. La taille des particules est donc aussi importante pour la flottation que pour la décantation. Sauf dans le cas de la flottation des boues biologiques qui sont naturellement floculées, la plupart des effluents contenant des colloïdes, il y aura lieu de faire une floculation préalable. Cependant, la flottation nécessite généralement des doses de floculant plus faibles que la décantation, car on ne cherche pas, bien au contraire, à alourdir le floc. La floculation par polyélectrolyte est particulièrement bien adaptée à la flottation et elle présente l'avantage de ne pas augmenter la quantité de boue, ni d’en modifier la composition.

Dans l'électroflottation, on peut réaliser la floculation par dissolution anodique de l'électrode elle-même, celle-ci étant construite en fer ou en aluminium. À quantité de cations dissoute égale, l’effet est identique à celui obtenu par l'utilisation de floculants minéraux, mais elle présente l’avantage de ne pas enrichir le milieu en anions. Par contre, sur le plan de coût d’exploitation, la dissolution anodique est nettement plus onéreuse. D’autre part, les tensions nécessaires pour l’obtention de fines bulles étant peu compatibles avec celles d’une dissolution économique, il est préférable de réaliser celle-ci dans un appareil séparé.

Il est également possible d’obtenir du chlore et par conséquent un effet de désinfection directement dans l'électroflottation par adjonction de chlorure ou d’eau de mer.

2.4. Calcul d’un flottateur

Pour dimensionner un flottateur, il faut déterminer en premier lieu deux paramètres :

• le débit spécifique ou la vitesse limite Vₗ, en m/h, • le ratio aₛ, en cm³/g.

Le débit spécifique ou vitesse limite est la vitesse de passage maximum dans la cellule au-dessus de laquelle les particules à flotter les plus fines sont entraînées avec l’eau épurée.

La vitesse limite dépend évidemment du ratio aₛ (Fig. 6), et elle augmente avec la quantité d’air introduite par masse de matière. Lorsque l’on arrête l’introduction d’air, on a alors affaire à une décantation, et la vitesse Vₗ est égale en valeur absolue à la vitesse de décantation V_d.

On peut donc écrire : Vₗ = k aₛᵖ − V_d

Les valeurs de k et p doivent être déterminées expérimentalement. Pour les boues biologiques, on a approximativement : Vₗ = 0,69 aₛ⁰·⁵⁷ − 1,5

En fait, il est également nécessaire, pour dimensionner une flottation, de connaître la variation du rendement d’épuration en fonction du ratio aₛ. Cette courbe peut être également déterminée expérimentalement (Fig. 7).

3.1. Siccité des boues

L’un des avantages de la flottation par rapport à la décantation est la siccité obtenue dans les boues flottées. Ceci est dû au fait que, poussées par les bulles d’air, les boues sortent du niveau liquide et s’égouttent naturellement. Cette propriété est mise à profit dans les flottateurs servant à l’épaississement des boues.

La concentration des boues flottées est fonction de différents facteurs. En premier lieu, elle dépend de la quantité d’air introduite et par conséquent du ratio aₛ (Fig. 8). La siccité dépend également de la charge unitaire par unité de surface de cellule et, d’une manière plus limitée, de la hauteur de la couche de boues.

3.2. Consommation

Les consommations électriques de l’aéroflottation et de l’électroflottation, bien que supérieures à celles de la décantation, sont relativement faibles. Elles dépendent dans une certaine mesure de la flottabilité des suspensions. Elles se situent entre 100 W h par m³ traité pour des concentrations en matières à flotter inférieures à 2 g/ℓ. Pour des concentrations supérieures, il faut compter entre 50 et 100 W h par kg de matières extraites.

Dans l’électroflottation, la consommation dépend de la résistivité du liquide, donc de sa salinité, qui, pour une même intensité, nécessite une tension d’autant plus forte que la résistivité est grande.

Dans l’aéroflottation, la température joue un certain rôle dans la solubilité maximum, mais, dans le même temps, la cinétique de dissolution augmente avec la température. L’effet de la température sera donc différent suivant les appareils de dissolution.

3.3. Action sur la pollution dissoute

La flottation ne permet pas seulement l’élimination des insolubles. Nous avons vu que les suspensions colloïdales

préalablement floculées pouvaient être éliminées efficacement. Mais la peut également atteindre une petite partie de la pollution dissoute. On sait en effet que certaines matières dissoutes se concentrent dans les interfaces gaz-liquide des bulles et que ce phénomène est lié à la tension superficielle. Ce phénomène utilisé dans la concentration par moussage permet au traitement physico-chimique par d’atteindre des rendements d’élimination de la DBO₅ et de la DCO tout à fait remarquables.

4. APPLICATIONS

4.1. Effluents urbains des stations à population variable

Une des applications est le traitement physico-chimique des effluents urbains des stations à population variable. On sait, en effet, que l'utilisation des techniques biologiques habituelles sur de tels effluents ne permet pas une épuration suffisante lors d'une augmentation rapide de la population. Le traitement physico-chimique, qu’il utilise la décantation ou la, permet une réponse immédiate aux pointes de charge. Avec des vitesses spécifiques de l’ordre de 8 m/h, le physico-chimique par a l'avantage d'une grande compacité, ce qui réduit la surface du terrain nécessaire. Ce point est d’autant plus intéressant que le coût des terrains en zone touristique est particulièrement élevé. Cette compacité autorise l'installation de la station dans un abri, ce qui permet la mise hors gel dans les stations de sports d’hiver.

Le traitement physico-chimique par de ces effluents domestiques réduit de 95 % les matières en suspension et de 70 à 80 % la DBO et la DCO, ce qui est remarquable, lorsque l’on sait que les matières en suspension et les colloïdes ne représentent guère plus de 66 % des matières oxydables. Ce traitement permet également d’éliminer 95 % des phosphates et environ 80 % des détergents, ce qui est caractéristique de la. Enfin, elle produit également un effet de désodorisation marqué (Fig. 11).

Une application actuellement en développement est celle du traitement des eaux potables, où la permet une meilleure utilisation des filtres à sable de finition en réduisant sensiblement les matières en suspension, généralement légères, rencontrées dans les eaux de surface, mais également une réduction spécifique de certains micropolluants comme les détergents. La floculation étant réalisée avec du sulfate d’alumine avec correction du pH, on peut obtenir à partir

d'eau de rivière contenant jusqu'à 150 mg/l de matières en suspension et ayant une turbidité de 30 à 100 NTU : réductions de 50 % pour les valeurs les plus faibles d'entrée et jusqu'à 90 % pour les valeurs les plus élevées, tant pour les matières en suspension que pour la turbidité. La concentration moyenne des boues produites est de 4 à 6 %.

Dans le domaine industriel, trouve de très nombreuses applications, soit comme pré-traitement, avant une épuration biologique par exemple, soit comme traitement global lorsque la qualité du rejet est compatible avec la réglementation.

Parmi les applications spécifiques, on peut citer la séparation des huiles et des graisses. Ces produits, en général inaltérables, ne décantent pas et perturbent le fonctionnement des procédés biologiques en s'opposant plus ou moins au transfert d'oxygène. C'est le cas notamment de :

• la sidérurgie, pour les effluents de laminoir à froid,

• l'industrie mécanique pour les effluents contenant des huiles de coupe, des cires (protex),

• les forges pour les effluents contenant des huiles d'estampage,

• l'industrie du pétrole (huiles et hydrocarbures, goudron, etc.),

• les ateliers de réparation pour les eaux de lavage,

• l'industrie de la laine pour les eaux de lavage,

• les industries alimentaires traitant des corps gras (abattoirs, fondoirs, huileries, conserveries de poissons),

• l'industrie des savons et des cosmétiques.

Une autre application intéressante concerne les effluents contenant des fibres souvent difficiles à filtrer et à décanter. C'est le cas de :

• l'industrie papetière pour les eaux blanches,

• l'industrie de la fibre de verre,

• les industries textiles pour les eaux contenant des fibres naturelles et artificielles (coton, laine, rayonne).

trouve également des applications dans :

• l'industrie automobile et l'électroménager (peintures et traitement de surfaces),

• l'industrie chimique (latex et émulsions),

• l'industrie du caoutchouc.

4.4. Concentration des boues

Enfin, est utilisée comme concentrateur de boues, notamment pour l'épaississement des boues biologiques, où l'on peut obtenir des concentrations de 50 g/l à partir de boues activées titrant de 5 à 10 g/l avec une bonne clarification des eaux traitées. Cette solution est plus intéressante que celle des épaississeurs par décantation dont les performances sont nettement plus faibles et dont les longs temps de séjour induisent des développements anaérobies responsables en général des mauvaises odeurs des stations biologiques, ceci d'autant plus que, en apportant de l'oxygène au milieu, empêche tout développement anaérobie.

5. CONCLUSION

Le traitement physico-chimique par présente de multiples avantages :

• démarrage rapide et réponse immédiate aux variations de charges,

• faible encombrement,

• insensibilité aux toxiques,

• efficacité particulière vis-à-vis de certains polluants (graisses, hydrocarbures, détergents),

• désodorisation des eaux traitées,

• excellente concentration des boues séparées,

• exploitation facile.

Par ailleurs, est utilisée comme épaississeur de boues, ce qui réduit sensiblement le coût de leur conditionnement.

Elle a de nombreuses applications dans le traitement des effluents industriels, mais également dans le traitement des effluents urbains et des eaux potables.

BIBLIOGRAPHIE

J. Bratby, G.V.R. Marais — Water S.A., juillet 1975.

De Vries, Absorptive Bubble Separation Technic, avril 1976.

Kuhn, Chemical and Process Engineering, juillet 1974.

Brown, Chemical and Process Engineering, mai 1976.

Dollfus, La Houille Blanche, mars 1976.

EXEMPLES D'APPLICATION

1) DOMAINE URBAIN

A) Station balnéaire

Ville de Talmont-Saint-Hilaire (Vendée).

• Population sédentaire : 400 h.

• Population estivale : 4 000 h.

Procédé :

Système mixte biologique et physico-chimique avec.

L'installation comprend :

— Dégrilleur.

— Dessableur.

— Bassin tampon de 195 m³, équipé d'une turbine de 7,5 kW servant l'hiver de bassin d'aération avec décantation séquentielle.

— Déversoir flottant.

— Floculateur (floculation sulfate d'alumine et poly- électrolyte).

— Flottateur de 7 m³.

Résultats

B) Station de sports d’hiver

Le Markstein, Grand Ballon (Haut-Rhin).

• ● Population sédentaire : 500 h.
• ● Population hivernale : 2 000 h.

Procédé : système mixte biologique et physico-chimique avec flottation.

L’installation comprend :

• — Dégrilleur.
• — Dessableur.
• — Bassin tampon aéré par insufflation 150 m³.
• — Floculateur 4,25 m³ (floculation chloro-sulfate ferrique + soude + polyélectrolyte).
• — Flottateur 3,5 m³.
• — Irradiation U. V.
• — Fosse de stockage des boues 300 m³.

Résultats

2) DOMAINE INDUSTRIEL

A) Industrie alimentaire

Abattoir GILLES à Collinée (Côtes-du-Nord).

• ● Production : 1 600 porcs/jour, 200 bovins/jour.
• ● Débit : 1 400 m³/jour.

Procédé : dégrillage, tampon aéré, floculation, flottation en 2 étages de 25 m³.

B) Industrie sidérurgique

SOLLAC — Laminoir à froid.

• ● Débit : 75 m³/h en effluent tinol, 15 m³/h en effluent huile soluble.

C) Industrie automobile

Renault-Billancourt.

C.1) Effluent : rinçage cataphorèse et ultrafiltration

Procédé : floculation, flottation. Débit : 20 m³/h.

Résultats

C.2) Effluent : dégraissage et phosphatation

Procédé : tampon, relevage, floculation, flottation, filtration presse. Débit : 50 m³/h.

Résultats

C.3) Effluent : bain de rinçage chromique

Procédé :

Mélange, floculation, flottation. Débit : 10 m³/h.

Résultats

D) Industrie mécanique

S.N.C.F. — Atelier de Tergnier.

Effluent de lavage, pièces et atelier.

Procédé :

Floculation, flottation, 2 cellules de 16 m².Débit : 100 m³/h.

Résultats

E) Pétrochimie

E.1) Oxochimie, Lavéra (Bouches-du-Rhône).

Eaux de process.

Procédé :

Floculation, flottation. Débit : 25 m³/h.

Résultats

E.2) Naphtachimie, Lavéra (Bouches-du-Rhône).

Effluent process contenant poudres de polyoléfine, sels de titane et aluminium hydrolysés.

Procédé :

Floculation, flottation. Débit : 80 m³/h.

Résultats

F) Industrie textile

Albert Hartley Ltd, Barnoldswick, Lancashire (Grande-Bretagne).

Effluent d’impression textile.

Procédé :

Floculation, flottation, recyclage de l'eau en usine.Débit : 113 m³/h.

Résultats

G) Papeterie

Ngoye, Natal (Afrique du Sud).

Effluent fabrique de pâte à partir de bagasses.

Procédé :

Neutralisation, floculation, flottation, bande pressante.Débit : 5 150 m³/h.

Résultats

H) Produits cosmétiques

H.1) L’OREAL — Usine de Ormes (Loire).

Effluent de fabrication de parfum, rouge à lèvres et fard + effluent sanitaire.

Procédé :

Floculation, flottation, lit bactérien.Débit : 4 m³/h.

Résultats

H.2) Usine de Llantrisant (Pays de Galles - Grande-Bretagne).

Produit identique.

Résultats