Les garants de l'efficacité du Wac, sa composition et sa pureté

Quelques conseils pratiquespour son utilisation...

par Mme S. PÉCOURT et D. ARDITTI, P.C.U.K. : Centre d'Application de Levallois (Hauts-de-Seine).

UN PEU DE THÉORIE EN GUISE D’INTRODUCTION

Le WAC peut être considéré comme un dérivé du Chlorure d’Aluminium. Il est composé essentiellement par une solution aqueuse d’ions complexes « prépolymérisés » d’hydroxo-aluminium qui sont formés par hydrolyse de l'espèce :

Alₘ(OH)ₙCl₍ₘ ₋ ₙ₎  
(Chlorure basique d’Aluminium)

L'hydrolyse des ions aluminium s’effectue probablement en deux étapes. La première, dans laquelle les ions solvatés Al(H₂O)₆³⁺, qui existent en milieu acide, donnent lieu à des complexes mononucléaires d’ions hydroxo-aluminium. La seconde, où ces derniers polymérisent par olation (pontage —OH) et/ou par oxolation (pontage —O) pour donner naissance à des espèces polynucléaires.

Plusieurs propositions ont été faites quant aux formules de ces ions complexes, ainsi par exemple celles qui dérivent de la forme générale :

Al(OH)ₓ²,₅ₓ⁴⁺   Al(OH)ₓ²,₅ₓ⁵⁺

Par agrégation, les ions complexes donnent les FLOCS qui assurent la clarification.

Un autre constituant important du WAC est l’ion sulfate, qui amplifie très favorablelement l’intensité du pouvoir coagulant du WAC. L’ion sulfate, par suite de son affinité pour l’ion aluminium, peut remplacer un ou plusieurs groupes hydroxyles au sein des ions complexes précédents.

On obtient ainsi trois effets importants qui ont une incidence directe sur l’augmentation d’efficacité coagulante du WAC par rapport à celle du Chlorure basique d'Aluminium (C.B.A.) simple ou des autres sels d'Aluminium :

• la vitesse de formation des espèces polymérisées est fortement accrue ; de ce fait, l'obtention de celles-ci est moins dépendante de paramètres tels que la température, le pH de floculation ou la turbidité de l'eau à traiter,
• le poids moléculaire moyen des ions complexes devient plus élevé et donc les flocs seront plus gros : la décantation sera meilleure, même dans des conditions de vitesse ascensionnelle élevée et/ou variable,

la « cohésion interne des flocs » est augmentée par la présence de l’ion sulfate. Leur résistance à la rupture est, ainsi, mieux assurée. Ils ne diminueront pas ou peu de taille à la suite des contraintes mécaniques inévitables auxquelles ils sont soumis dans les équipements de pompage et/ou de filtration qui accompagnent le décanteur.

La formule générale du WAC peut donc s’écrire :

Aln (OH)m (SO4)x Cl3m-n = 2

DE LA THÉORIE AUX EFFETS PRATIQUES

Comme nous venons de la voir, la composition du WAC et particulièrement sa teneur en ion sulfate conditionnent ses propriétés coagulantes et floculantes. Les spécifications du produit industriel ont été définies après des recherches approfondies menées de front avec des tests de coagulation-floculation effectués sur des eaux brutes de caractéristiques et d’origines très variées.

Nous illustrerons les conséquences pratiques de ces facteurs : composition et ion sulfate, par des exemples typiques obtenus à l'aide du test de floculation en bécher (jar-test) tel qu'il est couramment pratiqué dans toutes les stations de traitement d’eau.

A. — « VITESSE DE FORMATION DU FLOC »

— La figure 1 montre que l’efficacité coagulante du WAC n’est pas altérée même à des températures d’eau inférieures à 10 °C. Par conséquent, l'emploi d’adjuvants de floculation tels que la silice activée ou les polyélectrolytes pourra, le plus souvent, être évité.

— De même on peut traiter des eaux dont le pH est compris entre 6 et 9. Cette fourchette est considérablement plus étendue que celle permise par le Sulfate d'Aluminium (fig. 2).

Pour établir les courbes de la fig. 2, on a utilisé de l’eau de Seine dopée par 200 mg/l de kaolin, dont la répartition granulométrique était la suivante :

Taille des particules (microns) du kaolin :

B. — « TAILLE DU FLOC »

La dimension moyenne des flocs est fonction de la teneur en ion sulfate et passe par un maximum. Il y a une valeur optimum du rapport SO4/Al au-delà de laquelle la taille des flocs diminue à nouveau (fig. 3). Nous sommes là au cœur du problème : si le WAC a pu connaître depuis 1974 un développement continu de sa consommation et une extension de ses domaines d’applications, ceci est dû tout d’abord à la régularité de sa fabrication et à la sévérité du contrôle de ses caractéristiques, par les services producteurs de l’usine de Pierre-Bénite (Rhône).

Pour la valeur optimum du rapport SO4/Al on obtient des flocs dont, selon la loi de STOKES, la vitesse de décantation est maximale. On peut aussi exprimer cette

propriété en termes de vitesse ascensionnelle maximum admissible dans un décanteur.

La figure 4 illustre cette caractéristique.

À l'extrême, pour des teneurs en M.E.S. de l'eau brute de 2000 ppm (2 g/l), le WAC a permis ici des vitesses ascensionnelles de 12 m/h avec un taux de traitement de 33 g/m³.

Dans les mêmes conditions, avec le sulfate d’alumine, la vitesse est limitée à 3 m/h et le taux de traitement passe à 80 g/m³.

Par ailleurs, grâce à cette augmentation de la dimension des flocs, la turbidité résiduelle « sortie décanteur » est plus faible. Les filtres, placés en aval, reçoivent une charge massique inférieure. Leur durée de vie est ainsi augmentée et la consommation d’eau de lavage réduite.

C. — COHÉSION INTERNE DES FLOCS

Pour mettre en évidence cette propriété, prenons de l'eau de forage contenant du fer ferreux en solution. Après oxydation et précipitation de celui-ci par aération, on procède à des tests de floculation en série, avec ou sans coagulants.

Caractéristiques de l’eau de forage

Fer (Fe) : 6 mg/l  
Turbidité : 39 JTU  
Couleur : 20 mg/l Pt  
TAC : 5,8 °F  
pH : 7,3

Taux de traitement : 4 mg/l (en Al₂O₃).

Durée en minutes

Après addition du coagulant, le floc est formé dans les conditions du test n° 1, puis désagrégé dans les conditions des tests n° 2, 3 ou 4.

Fer résiduel dans le surnageant (mg/l)

Test n° 1 2 3 — Sulf. d’Al. / WAC / Pas de coagulant

Après décantation la teneur en fer résiduel de chaque surnageant a été déterminée ; celle-ci permet d’avoir une idée de la résistance mécanique des floculants et de les comparer entre eux.

La figure 5 montre clairement que le WAC donne un floc très résistant, alors que celui formé par le sulfate d’alumine est déjà fortement désagrégé après 30 secondes d'agitation rapide.

Il est fréquent dans la pratique qu’un floc bien formé au stade « Floculateur » soit ultérieurement fragmenté pour avoir subi des contraintes mécaniques intenses. C'est par exemple le cas dans les décanteurs à recirculation de boues.

En outre, on sait qu’en général un floc ayant subi ce phénomène de désagrégation a moins tendance à se reformer.

Durée en minutes

Ainsi, dans de nombreux appareillages de décantation, l’aptitude à redonner des particules de dimensions plus importantes est une propriété appréciable pour un coagulant.

Pour mesurer cette aptitude, on a repris l’eau de l'expérience précédente sur laquelle on effectue les tests suivants :

Le floc, bien formé et décanté dans les conditions du test n° 1, a été désagrégé puis reformé dans les conditions des tests n° 2 ou 3.

Les essais ont, ici aussi, été effectués sans coagulant ou avec addition de WAC ou de sulfate d’alumine. Dans ce cas le taux de traitement était de 4 mg/l (en Al₂O₃). Enfin, on a contrôlé la teneur en fer du surnageant.

Fer résiduel dans le surnageant (mg/l)

Source : AL.

Les diagrammes de la figure 6 permettent de comparer l'aptitude du floc à se reformer. Comme on peut le constater, le floc formé par le WAC donne un excellent résultat.

QUELQUES CONSEILS PRATIQUES POUR L'UTILISATION DU WAC

L'utilisation du WAC peut quelquefois donner lieu à des résultats décevants du point de vue technique. Dans ce cas l'expérimentateur au laboratoire ou l'utilisateur industriel pensera qu'il s'est laissé abuser par la « présentation » de ce nouveau produit et il remettra promptement cette panacée au fond d'un tiroir.

Bien entendu le WAC n’est pas ce remède universel capable de résoudre tous les problèmes posés par toutes les eaux.

Parfois cependant, c’est l’absence d’informations adéquates qui aura provoqué l’échec. Celles indiquées ci-après sont destinées à pallier les inconvénients de cet ordre rencontrés le plus fréquemment.

La réalisation du test en bécher

La figure 7 montre l’influence de l’agitation (vitesse initiale et durée totale) sur la qualité de la clarification obtenue.

On voit l'importance d’une forte agitation initiale pour l'obtention d'une bonne élimination des colloïdes présents dans l'eau à traiter.

Tout aussi importante est la qualité de la solution diluée de WAC utilisée pour les essais de laboratoire : celle-ci doit être parfaitement limpide et optiquement vide ; la présence d’un louche, si minime soit-il, ou même d’un reflet bleuté est le signe d’une efficacité réduite par hydrolyse prématurée du produit actif. C’est pourquoi il est recommandé de préparer une solution fraîche à 10 g/l de produit commercial les jours où l’on voudra faire ces tests de laboratoire.

Le point d’injection

Initialement il n’est pas nécessaire de diluer le WAC. L’injection du produit commercial sera faite, par contre, en un point où l’agitation est maximum. Ce choix du point d’injection optimum est un des paramètres décisifs pour la réussite de toute utilisation industrielle du WAC.

L’agent de neutralisation — Consommation et point d’injection

Si l’eau est agressive, soit naturellement, soit par suite de l'addition du coagulant minéral, l’exploitant peut être amené à compenser cette agressivité par l’addition d’un réactif de neutralisation.

Le tableau 1 donne, pour les coagulants et les réactifs de neutralisation usuels, les bases de calcul permettant d’effectuer aisément la correction de TAC nécessaire.

TABLEAU 1

Diminution du TAC provoquée par l’addition de 10 g/m³ de coagulant

Quantité de réactif de neutralisation permettant de compenser l’addition de 10 g/m³ de coagulant

Réactif de neutralisation nécessaire pour augmenter le TAC de : 10,6 7,5 16,7

La faible diminution du TAC de l’eau brute due à l'addition du WAC est, d’ailleurs, en pratique plus importante que le tableau 1 ne le laisse paraître. En effet, à partir d'une même eau brute et pour obtenir une eau traitée de même qualité, les taux de traitement par le WAC seront en général 1,5 à 2,5 fois plus faibles. Ainsi, par exemple, pour :

Eau de Seine : Turbidité initiale : 55 JTU Turbidité eau décantée désirée : < 2 JTU

on aura :

TABLEAU II

• Si l’exploitant doit procéder à une correction de pH, il retire de cet état de fait un avantage économique certain quant à la consommation de réactif de neutralisation induite, par l’utilisation du coagulant le plus « basique » ;

• Dans ce cas, et du point de vue de la pratique opératoire, il sera préférable d’injecter le réactif alcalin après l’addition de WAC, par exemple au stade de floculation. On évitera ainsi tout gaspillage de l’un et l’autre des réactifs dû à une réaction inutile :

COAGULANT + AGENT DE NEUTRALISATION

qui pourrait se produire si les deux points d’injection étaient trop rapprochés.

• D’autre part, quelle que soit l’origine de l’agressivité de l’eau : naturelle ou provoquée par l’emploi du coagulant, la régulation du pH est plus aisée avec le WAC car il s’agit d’ajuster uniquement le pH final de l’eau traitée et non pas aussi le pH de floculation (fig. 2).

— Vie des filtres et aluminium résiduel dans l’eau filtrée

Nous avons vu pourquoi la vie des filtres était augmentée lorsqu’on utilisait le WAC. Cette augmentation de la durée utile du cycle de filtration est généralement comprise entre 15 et 50 %. Elle peut atteindre des valeurs beaucoup plus élevées (100 à 400 %) sans qu’une augmentation anormale de la perte de charge indique à l’exploitant que la charge massique maximum du filtre est atteinte. Cette perte de charge, indicateur du colmatage du filtre, devient ainsi inopérante.

Dans le cas de cycles anormalement longs, il peut se produire une « fuite » d’aluminium dans l’eau filtrée. Or, pour l’eau potable, la teneur en aluminium résiduel est un des facteurs de qualité (CMA : 0,20 mg/l). Dans ce cas, et pour éviter cet inconvénient, nous préconisons d’effectuer des contrôles de teneur en aluminium total sur un des filtres de l’installation pendant 3 à 5 cycles, ceci afin d’établir les diagrammes de concentration d’aluminium dans l’eau filtrée en fonction du temps.

Ces courbes permettront de fixer la durée utile du cycle en tenant compte de ce paramètre (PCUK tient à la disposition des laboratoires intéressés une méthode colorimétrique automatisable pour effectuer cette détermination — Réf. n° 1 —).

Un autre indicateur, indirect celui-là, consiste à contrôler la turbidité de l’eau filtrée en opérant de la même manière que précédemment.

Au début de l’utilisation du WAC dans une station de traitement, il peut être intéressant d’effectuer simultanément les deux types de contrôles afin d’établir la corrélation :

Concentration en aluminium = f(turbidité).

La mesure de cette dernière étant simple et très rapide, l’exploitant pourra ainsi, ultérieurement, aisément contrôler et ajuster en conséquence la durée du cycle en fonction de la norme d’aluminium résiduel qu’il souhaite observer.

LE WAC — COAGULANT DE PURETÉ ÉLEVÉE

Les propriétés physiques et chimiques du WAC sont bien connues des utilisateurs et ont été décrites dans de nombreuses publications (Réf. 2-3-4).

Celles-ci donnent, en particulier, la composition pondérale du produit en ce qui concerne les principaux éléments qui le constituent.

Un des articles de ce numéro de « L’EAU ET L’INDUSTRIE » (1) traite de la qualité des réactifs chimiques utilisés dans la production d’eau potable.

TABLEAU 3. — TENEUR EN IMPURETÉS DU WAC (mg/kg)

NOTES

(1) Chacune des 20 valeurs individuelles est inférieure à ce chiffre.

(2) Valeurs individuelles : de < 1 à 2,7.

(3) Valeurs individuelles : de < 1 à 1,5.

(1) L. LEGRAND ET P. LEROY « Pureté des produits chimiques utilisés pour l’élaboration de l’eau potable »

La faible teneur en impuretés du WAC (aspect souvent peu connu du produit) est certainement l’une des raisons principales qui ont motivé la décision du Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France, lors de sa réunion du 28 janvier 1974, de l'agréer comme agent de traitement des eaux destinées à la consommation humaine.

La teneur en éléments toxiques ou indésirables contenus dans le WAC a fait et fait l'objet de contrôles répétés et attentifs, dont les résultats sont donnés au Tableau 3 où les concentrations maximales admissibles de ces éléments dans le réactif sont calculées pour un taux de traitement de 100 g/m³ de WAC.

CONCLUSION

Les éléments de la présente communication sont à considérer comme des compléments à la définition du WAC et la description de ses caractéristiques et conditions d'emploi. Ils sont destinés plus spécialement au praticien qui a la responsabilité des choix des produits qu'il doit mettre en œuvre (d’ailleurs des compléments éventuels peuvent être fournis à tout moment en s’adressant à nos services).

Nous avons essentiellement axé notre propos sur les avantages et les garanties que procurent d’une part la composition du WAC, d’autre part sa pureté — continuellement contrôlée en fabrication à notre usine de Pierre-Bénite — et qui, à notre point de vue, constituent bien les garants de l'efficacité du produit…

Mme S. PECOURT - D. ARDITTI.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

(1) PCUK : CAL Informations n° Rec 306. « Dosage spectrophotométrique de l’Aluminium dans les Eaux ».

D. ARDITTI : « Le WAC, nouveau floculant pour le traitement des Eaux » L’EAU ET L'INDUSTRIE, n° 2 — Septembre-octobre 1975.

(2) « WAC, Polychlorure d’Aluminium pour le Traitement des Eaux » Informations-Chimie — Juin-Juillet 1977, n° 168.

W. J. MASSCHELEIN et J. GENOT : « Les Polychlorures d’Aluminium dans le traitement des eaux de la Meuse ». L'EAU ET L'INDUSTRIE, n° 26 — Juin 1978.

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