COAGULANTS ET FLOCULANTS
Parmi les procédés qui permettent de transformer les ressources polluées — naturellement ou par l’homme — en eau propre à la consommation ou à l'utilisation industrielle, ceux qui font appel à la Coagulation-Décantation, généralement complétée par une Filtration, sont de beaucoup les plus couramment employés.
Ces techniques ont pour but d’éliminer la « Turbidité » présente dans presque toutes les eaux de surface et ceci dans des conditions qui deviennent de jour en jour plus sévères. Sous la dénomination de Turbidité sont réunies une infinité de substances présentant tous les degrés imaginables de constitution chimique, insolubles ou proches de la solubilité selon leur taille comprise entre un centième et un millionième de millimètre. L’augmentation de la vitesse de décantation de ces particules finement divisées a été, et reste encore, l’un des objectifs fondamentaux du « Traiteur d’eau ».
Ce dernier combine les effets physico-chimiques et mécaniques pour atteindre son but. À cet effet, il passe tout naturellement par une augmentation de la taille des particules par agglomération de celles-ci en agrégats plus importants. Ce résultat est obtenu en deux temps distincts dont les rôles respectifs sont maintenant bien connus :
À la phase « coagulation » correspond une déstabilisation de la suspension colloïdale obtenue par une réduction des forces de répulsion entre les particules.
La coagulation est obtenue par addition d’un produit chimique approprié, le plus souvent un sel de fer ou d’aluminium et la réalisation d’une agitation violente en vue d’assurer une répartition homogène du « coagulant » dans la masse à traiter. La seconde phase dite de « floculation » correspond à l’agrégation des particules déstabilisées en « flocs » capables de décanter rapidement ou, dans certaines conditions, d’être éliminés par filtration.
La floculation est obtenue par une agitation lente et prolongée et fait appel à des collisions physiques qui s’exercent entre les particules microscopiques.
Celles-ci sont constituées par la turbidité d’origine qui a absorbé les produits d’hydrolyse du sel métallique utilisé comme coagulant. Ce processus, qui dépend de variables fort nombreuses, est en réalité d'une extrême complexité et qui conduit naturellement à de nombreuses difficultés. Pour essayer de les résoudre, ont été mis au point les « floculants » souvent improprement appelés adjuvants de coagulation. Les symptômes de ces difficul-
tés sont bien connus de l’exploitant : flocs de petite taille, fragiles et décantant mal, sont des problèmes fréquents, qu’ils soient dus à de faibles températures, à des substances qui gênent la coagulation : polyphosphates par exemple ou, plus simplement, à la nature même de l’eau à traiter.
Des motivations plus positives ont été aussi à l’origine de la mise au point de ces floculants : désir d’améliorer les coûts opératoires et/ou d’accroître la productivité d’installations existantes. Dans cette catégorie de produits, à côté de la silice activée, on trouve une grande variété de polymères organiques naturels (alginate) ou synthétiques (polyacrylamide) généralement appelés polyelectrolytes dont le rôle est de provoquer la formation de flocs plus denses et plus résistants que ceux fournis par les hydroxydes métalliques seuls.
LE WAC
Si, en matière de floculants organiques, il ne se passe pas de mois, voire de semaine, sans l’annonce d’un nouveau composé de ce type, l’aboutissement des efforts des chercheurs était par contre singulièrement limité sinon nul depuis plusieurs décades dans le domaine des « coagulants minéraux ».
Ce n’est qu’en 1974 que P.C.U.K. a pu mettre à la disposition du « Traiteur d’eau » un nouveau coagulant du genre sel métallique dérivé de l’aluminium. En effet, après des études et des recherches approfondies portant sur son application, ce nouveau composé dont le nom de marque est « WAC » (1) est produit industriellement dans une unité moderne implantée sur le site de Pierre-Bénite, près de Lyon. Cette unité, dont la capacité initiale est de 24 000 t/an, pourrait être facilement doublée dans un proche futur.
Le WAC est un polychlorure d’aluminium dont la formule est :
Alₙ(OH)ₘCl₃ₙ₋ₘ
dans laquelle, pour une valeur de n égale à l’unité, m est compris entre 1,35 et 1,80. Par rapport au chlorure d’aluminium, on voit qu’environ 50 % des anions chlorure ont été remplacés par des radicaux hydroxyles, raison pour laquelle on parle pour ce type de produits de « Basicité », celle-ci étant définie par le rapport
m —— × 100 3n
En outre, il est probable que la molécule a une constitution qui l’apparente à un polymère minéral de poids moléculaire assez élevé, et qu’il se forme en phase aqueuse un complexe polynucléaire d’ions hydroxo-aluminium qui ont un caractère cationique marqué.
Nous attribuons à cette constitution et à cette charge l’efficacité coagulante et floculante remarquable du WAC, efficacité qui, pour un même dosage en ions Al³⁺, est 1,5 à 2,5 fois supérieure à celle de l’aluminium contenu dans d’autres sels alumineux utilisés dans le même but.
Le WAC est un liquide jaune pâle, miscible à l’eau en toutes proportions, dont les spécifications et caractéristiques sont données ci-après.
WAC
Fiche technique
| Aspect : | liquide jaune pâle |
|---|---|
| Al₂O₃ (%) : | 10,00 mini |
| Arsenic p.p.m. : | 5 maxi |
| Métaux lourds en Pb p.p.m. : | 20 maxi |
| Basicité : | 45-60 |
Autres caractéristiques :
| Chlore % : | 9,2 ± 1,2 |
|---|---|
| Fer % : | < 0,02 |
| Masse volumique 25 °C : | 1,20 ± 0,01 |
| pH à 25 °C : | 2,7 ± 0,3 |
| pH (dilution 1/20) à 25 °C : | 4,4 ± 0,3 |
| Viscosité 25 °C cps : | 25 ± 0,5 |
| Point de congélation °C : | –12 ± 1,0 |
Stabilité de la solution commerciale : plusieurs années
Note : la « basicité » représente, pour un composé de formule
Alᵧ(OH)ₘCl₃ₙ₋ₘ , le rapport m / 3n × 100
Avant de décrire plus en détail les propriétés et avantages du WAC, il paraît utile d’illustrer ceux-ci par quelques exemples choisis parmi les plus typiques des applications actuelles du produit.
Cas n° 1 – TRAITEMENT D’EAU DE SURFACE
Décanteur statique à flux horizontal.
La station de traitement présente l’avantage d’être équipée de décanteurs parallèles identiques, permettant de ce fait une comparaison précise entre le traitement actuel à base de chlorure ferrique avec correction de pH à la soude et le traitement par le WAC.
Deux séries d’essais de longue durée ont été réalisées, l’une aux deux tiers du débit nominal, l’autre à pleine charge.
Les résultats obtenus à la sortie des décanteurs sont fournis par les tableaux suivants.
(1) « WAC » est une marque déposée.
A. - Débit 2 300 m³/h – 2/3 du débit nominal. 1 - Traitement Chlorure ferrique (sol. 41 %) g/m³ 36,5 NaOH (exprimée en 100 %) 9,5 0 WAC sol. à 10 % Al₂O₃ 28,1 2 - Détermination Température °C 5,9 5,9 5,9 Turbidité (goutte de mastic) 450 70 58 Pouvoir colmatant (Beaudrey) 18,5 0,76 0,63 Solides en suspension mg/l 84 5,6 4,6 pH 8,08 7,87 7,94 pH d’équilibre 7,69 7,69 7,69 Index de saturation +0,39 +0,18 +0,25 TAC °F 24,1 23,2 23,4 Dureté calcique °F 16,2 15,9 15,8 Matière organique mg/l 3,65 1,22 1,22 Azote ammoniacal mg/l 0,29 0,04 0,04 Fer (eau filtrée) mg/l 0,15 traces — Aluminium (eau filtrée) mg/l <0,02 traces <0,05 B. - Débit 3 100 m³/h – débit nominal. 1 - Traitement Chlorure ferrique (sol. 41 %) g/m³ 40,7 NaOH (exprimée en 100 %) 8,4 0 WAC sol. à 10 % Al₂O₃ 30 2 - Détermination Température °C 7,6 7,6 7,6 Turbidité (goutte de mastic) 250 104 73 Pouvoir colmatant (Beaudrey) 6,7 1,8 1,1 Solides en suspension mg/l 27,1 11,4 6,8 pH 8,06 7,78 7,94 pH d’équilibre 7,60 7,60 7,60 Index de saturation +0,46 +0,18 +0,34 TAC °F 24,8 23,9 24,5 Dureté calcique °F 16,1 15,9 15,9 Matières organiques mg/l 2,4 0,8 0,7 Azote ammoniacal mg/l 0,24 0,04 0,04 Fer (eau filtrée) mg/l 0,25 0,02 — Aluminium (eau filtrée) mg/l — traces <0,05Il ressort de ces deux tableaux :
- — Une qualité d’eau décantée améliorée,
- — Une consommation de WAC inférieure de 20 à 25 % à celle du chlorure ferrique,
- — La suppression de l'utilisation de la soude,
- — La possibilité de traiter un débit plus important sans risque de colmater les filtres.
Cas n° 2 - TRAITEMENT D’EAU DE SURFACE
Décanteur à lit de boue
Il s'agit ici d’un traitement d’eau industrielle dans une papeterie.
Le traitement par sulfate d’alumine et polyelectrolyte donnait entière satisfaction, la seule motivation au changement était d’ordre économique : « Pouvait-on, à qualité d'eau produite constante, diminuer le prix de revient de celle-ci ? ».
Les essais entrepris à la fin de l'automne permirent de dégager les résultats suivants :
| Eau brute / Eau décantée / Eau filtrée |
| Turbidité (Jackson) : 6,36 / 0,80 / 0,34 |
| Matières organiques (KMnO₄ milieu acide) : 5,20 / 3,0 / 2,3 |
(moyennes sur 75 jours d’exploitation).
Ces résultats techniques, de même qualité que ceux obtenus avec le traitement antérieur, furent acquis à un prix notablement inférieur :
Coûts comparés du traitement de coagulation-floculation
| WAC / Sulfate d’Al. + Polyelectrolyte |
| Volume d’eau traitée (m³) : 1 012 450 / 880 500 |
| Consommation (kg) : 23 280 / 72 330 (+ 158) |
| Dosage moyen (g/m³) : 23 / 82 (+ 0,18) |
| Coût opératoire (F/1 000 m³) : 13,90 / 17,13 |
| Gain (F/1 000 m³) : 3,23 |
En conclusion, l'utilisation du WAC a permis de réaliser une économie immédiate de 19 % environ par rapport à l’ancien traitement. D'autres gains moins facilement chiffrables ont été constatés :
- — La suppression de l’adjuvant de floculation facilite l’exploitation de la station.
- — Le temps utile de filtration a été augmenté.
- — Le volume des boues extraites est plus faible.
Ces deux derniers postes représentent une économie d'eau de 4 %.
Cas n° 3
CLARIFICATION PAR COAGULATION DIRECTE SUR FILTRE
Dans le cas d'une eau peu chargée en matières en suspension, faiblement colorée et à faible teneur en matières organiques, on peut traiter directement par coagulation suivie d’une filtration.
La dose de coagulant fixe la turbidité finale. Cette dose est toujours faible par rapport à une coagulation-floculation dans un décanteur. Il s'agit, en effet, de déstabiliser les particules colloïdales présentes dans l’eau, sans pour autant former de gros flocs qui colmateraient rapidement la surface du milieu filtrant.
Les filtres utilisés sont en général des filtres fermés sous pression. Ils peuvent être verticaux ou horizontaux, à simple courant ou à courants inverses, lavables à l'eau seule ou à l'eau et à l’air.
DESCRIPTION SOMMAIRE DU CIRCUIT
Il s’agit d'une installation classique comprenant :
- — une station de pompage d’un débit moyen de 500 m³/h, en hiver et de 800 m³/h en été,
- — un système de pompes doseuses injectant sous pression (5 bars) d’abord l’eau de Javel, puis le coagulant dans la canalisation d’eau brute,
- — une batterie de 5 filtres métalliques sous pression, avec enregistrement en continu de la perte de charge dans chaque filtre. Chaque filtre a les caractéristiques suivantes :
Débit pratique : 200 m³/h Surface : 12,5 m² Vitesse de filtration : 16 m/h
RESULTAT OBTENU (après un an d'exploitation)
| Traitement au Sulfate d’alumine (8 % Al₂O₃) | Traitement actuel au WAC | Avantages du WAC | |
|---|---|---|---|
| Dosage | 20 à 25 g/m³ | 5 — 7 g/m³ | Réduction de la quantité de boues formées. |
| Coût du traitement F/1 000 m³ | 3,9 | 3,0 | Coût de traitement inférieur. |
| Turbidité moyenne de l'eau filtrée | 5,5 JTU | 2,5 JTU | Le taux de matières en suspension est très réduit. Le risque de bouchage ou d’encrassement des circuits est diminué. |
| pH moyen de l'eau traitée | 7,76 | 8,06 | Risque diminué de corrosion des nombreux circuits métalliques. |
On a pu aussi noter que, lors de crues importantes, il est possible de continuer à avoir une eau de bonne qualité avec le WAC, ce qui n’était pas le cas auparavant.
D’autre part, après un lavage des filtres, le retour à une faible turbidité est plus rapide avec le WAC.
PROPRIÉTÉS ET AVANTAGES DU WAC
Tout exploitant sait, par expérience, que la plupart de ses problèmes en clarification d’eau proviennent d’une floculation insuffisante, ceci surtout lorsque l’unité de production travaille à la limite de ses possibilités.
Les exemples que nous venons de voir montrent que les propriétés et avantages du WAC tiennent à ce que la fonction « floculation » de ce dérivé est plus performante que dans le cas des autres sels métalliques. Par ailleurs, du point de vue économique, ils montrent ainsi l’importance de la composition chimique du WAC sur les économies possibles en réactif de neutralisation lorsque celui-ci est nécessaire.
Efficacité coagulante et floculante
Les flocs produits par le WAC ont à la fois une taille importante et des dimensions uniformes.
Ces flocs décantent très rapidement. La figure indique la turbidité résiduelle en Jackson Turbidity Units (J.T.U.) après trois minutes de décantation sur une eau brute traitée par des doses croissantes de WAC ou de sulfate d'alumine.
D'autres expériences ont été menées afin de préciser des caractéristiques importantes et en particulier la résistance mécanique du floc ainsi que la tendance de celui-ci à se re-agglomérer après avoir été brisé. Pour comparer la résistance mécanique du floc, on a opéré comme indiqué dans le Tableau 1. Après addition du coagulant, la floculation a été effectuée selon le schéma de Test n° 1 et les flocs cassés selon les schémas n° 2-3 et 4.
Les mesures de turbidité effectuées sur les surnageants sont données en % par rapport à la turbidité initiale et parlent d’elles-mêmes :
Tableau I. – Résistance du floc.
| % turbidité de l'eau brute |
|---|
| 100 |
| 75 |
| 50 |
| 25 |
| 0 |
Tests N°
Conditions de test :
Eau de Seine Coagulants dosés à 4 mg/l en Al₂O₃
Test N° 1 : 150 t/min 2 min puis 30 t/min 20 min. Test N° 2 : 200 t/min 30 sec Test N° 3 : 200 t/min 1,5 min Test N° 4 : 200 t/min 5 min
La mesure de turbidité a été exécutée dans tous les cas après une décantation de 15 minutes.
Des résultats analogues sont obtenus en ce qui concerne la tendance du floc à la réagglomération, propriété qui peut être importante dans les décanteurs à lit de boue recyclée ou non.
Souplesse d’emploi
La plupart des eaux de surface et la majorité des eaux résiduaires industrielles peuvent être avantageusement traitées par le WAC qui permet, dans certains cas, de résoudre des problèmes de traitement insolubles jusqu’à présent.
Emploi dans un large domaine de pH
Le WAC est actif dans un domaine de pH très étendu. On peut effectuer des traitements de clarification à des pH compris entre 6 et 9 ; dans certains cas, il est même possible de traiter à des pH compris entre 5 et 10.
On sait que les autres coagulants métalliques ont des plages d'emploi en fonction du pH beaucoup plus restreintes.
Cette propriété est illustrée par la figure 2.
Efficacité à basse température
Contrairement aux autres sels d’aluminium utilisés comme floculants, la taille des flocs fournis par le WAC est pratiquement indépendante de la température de l'eau à traiter. De ce fait, il est très efficace dans les pays froids ou en hiver, période pendant laquelle il est souvent nécessaire, avec les floculants classiques, d’employer des adjuvants de floculation. Ici encore, le WAC apporte simplicité d'emploi et économie de coût.
Emploi dans des unités surchargées
Comme le paragraphe précédent le laissait prévoir, la vitesse de réaction du WAC est extrêmement élevée ; la formation du floc est plus rapide avec le WAC qu'avec les floculants minéraux conventionnels.
L'emploi du WAC permet l'utilisation de floculateurs de plus faibles dimensions, ou donne la possibilité de surcharger les installations existantes, sans diminuer pour autant la durée utile de vie des filtres.
Simplicité d'emploi
Du fait de sa forme liquide, le WAC est très facile à manipuler, que ce soit pour les opérations de stockage ou de dosage. Il peut être dilué avec de l'eau à la concentration désirée et injecté à l'aide d’un matériel classique : pompe doseuse, venturi...
À quantité égale d’alumine, et sans tenir compte de l’efficacité supérieure, l’équipement de stockage nécessaire est moins volumineux qu’avec les solutions de sulfate d’alumine. En effet, la teneur minimale en Al₂O₃ du WAC est de 10 % au lieu de 8 %.
Deux précautions d’emploi sont toutefois à noter :
— lorsque les solutions de WAC ont une teneur en Al₂O₃ inférieure à 3 %, on constate une hydrolyse progressive qui leur donne un aspect laiteux et trouble. Cette hydrolyse provoque une perte d’efficacité qui peut être très importante. Une fois diluée au-dessous de cette concentration, la solution de WAC doit être utilisée dès que possible.
— quoique moins corrosif que le chlorure ferrique, le WAC, comme ce dernier, nécessite des équipements de stockage et de pompage en matériau antiacide.
AVANTAGES ÉCONOMIQUES
Économie de réactif de neutralisation
Que l’on veuille neutraliser l’acidité naturelle de l’eau à traiter ou ramener celle-ci à un pH d’équilibre compatible avec une bonne protection du réseau de distribution, le procédé de clarification fait souvent appel à un traitement de neutralisation simultané ou ultérieur.
Dans le cas du WAC, la quantité de réactif de neutralisation nécessaire pour ramener l’eau à son pH d’équilibre est nettement moins importante qu’avec les autres sels métalliques de fer ou d’aluminium utilisés comme floculants primaires. Ce fait, dû à la constitution chimique et à la nature du WAC, est illustré par les données ci-dessous :
— Influence de l’emploi des coagulants sur le TAC de l’eau traitée :
| Pour chaque g/m³ de : | le TAC diminue de |
|---|---|
| Sulfate d’alumine 8,3 % Al₂O₃ | 0,0244 °F |
| Chlorure ferrique 4 % FeCl₃ | 0,0383 °F |
| WAC 10,2 % Al₂O₃ | 0,0150 °F |
— Influence de l’emploi des coagulants sur la consommation de réactif de neutralisation :
Pour chaque g/m³ de coagulant, demande équivalente en g/m³ de :
| Carbonate de sodium | Chaux | Soude 48,5 % | |
|---|---|---|---|
| Sulfate d’alumine solution | 0,26 | 0,20 | 0,43 |
| Chlorure ferrique | 0,40 | 0,32 | 0,67 |
| WAC | 0,16 | 0,12 | 0,26 |
Économie d’adjuvant de floculation
Le cas n° 2 rend compte de cette possibilité. Que ce soit pour augmenter la taille des flocs, donc leur vitesse de décantation, ou la cohésion du lit de boues, donc la vitesse ascensionnelle dans un décanteur à boues pulsées, l’emploi des polyélectrolytes ou de la silice activée est de pratique courante.
Cependant tous ces adjuvants ne sont pas d’emploi simple ou aisé : leur préparation et leur mise en œuvre nécessitent de suivre des modes opératoires précis sous peine de perdre l’efficacité attendue, si ce n’est parfois d’avoir à exécuter des travaux d’entretien supplémentaires inattendus.
L’emploi du WAC permet dans de nombreux cas où les eaux sont faiblement ou moyennement chargées en matières en suspension d’éliminer l’emploi de ces adjuvants.
Outre l’exemple cité, tel a été le cas en :
Sidérurgie : clarification d’eau de lavage de hauts-fourneaux. Papeterie : clarification d’eaux blanches.
Conclusion
En conclusion et après un an d’exploitation de l’unité de Pierre-Bénite, il paraît possible d’établir un premier bilan pour ce qui concerne la clarification d’eau superficielle à usage d’alimentation humaine ou industrielle. Le WAC n’est pas un nouveau gadget ou une « nouveauté » de mauvais aloi ; en effet, quoique nous soyons les premiers persuadés qu’il ne s’agisse pas « du produit miracle » et que nous ayons pleine connaissance des échecs subis, la plupart du temps pour raisons économiques d’ailleurs, une cinquantaine d’installations réparties sur tout le territoire et traitant au total 1 000 000 de mètres cubes d’eau par jour utilisent le WAC à cette date. Cette diffusion montre de façon indéniable que la mise à disponibilité du WAC répond à des besoins techniques et/ou économiques bien réels chez les utilisateurs actuels ou potentiels.
Ces multiples utilisations ont été réalisées sur le terrain grâce à la conjugaison des efforts des exploitants, des constructeurs d’équipement et des services d’application de P.C.U.K.
Le domaine à explorer est bien plus vaste que celui cité, aussi nos efforts tendent à en délimiter les contours et à préciser les domaines d’emploi ou les types de pollution que le WAC peut combattre efficacement. Les suggestions et l’aide qui pourraient nous être apportées dans des domaines pratiques où de nouvelles solutions sont souhaitées seraient des lignes guides précieuses pour notre action future.
D. ARDITTI.
