Dans un article précédent (1) nous avons, après avoir donné des définitions de la coagulation et de la floculation, présenté les polyélectrolytes de synthèse et les PURIFLOC (2) en donnant leurs caractéristiques générales.
Ces produits, comme nous l'avons indiqué, sont de la même conception que les SEPARAN, et connaissent une gamme d'application très étendue dans de nombreuses industries.
Il ne sera question ici que du traitement des eaux, et pour cet ensemble d'opérations, la désignation PURIFLOC a été retenue. Voici les qualités essentielles du PURIFLOC entrant en ligne de compte dans les différents cas d'applications au traitement des eaux.
Domaines d’applications et type de PURIFLOC recommandé
A. Traitement des effluents urbains
- – floculation des égouts bruts : PURIFLOC A-22 ou A-23 combiné à des sels métalliques
- – élimination des phosphates dans les décanteurs primaires et secondaires : PURIFLOC A-23 ou C-40 combiné à des sels métalliques
Conditionnement des boues
- – dans les séchoirs : PURIFLOC C-40 et XD-8494
- – dans les centrifugeuses, les filtres-presses, les tamis à bandes filtrantes et les appareils pour filtration sous vide : PURIFLOC C-40, XD-8491, XD-8492, XD-8493 et XD-8494 ou combiné à PURIFLOC A-23 ou A-24
Épaississement dans les décanteurs à gravité ou dans les bacs de flottation à l'air : PURIFLOC C-40, XD-8492 et XD-8494, XD-8454
Élutriation de la boue : PURIFLOC C-40
B. Traitement des eaux potables
- – prétraitement de l'eau potable dans les décanteurs : PURIFLOC A-23, A-22 et N-127, N-17, N-18, N-19 selon les caractéristiques de l'eau, seul ou combiné à des sels métalliques
- – filtration de l'eau potable : PURIFLOC N-17, N-18 ou des produits cationiques de faible poids moléculaire
(1) Voir « L’EAU ET L’INDUSTRIE », n° 3, juin-juillet 1976, pages 63 à 67, l'article de U. Meier et D. Tardy « Des floculants organiques de synthèse pour le traitement des eaux, les PURIFLOC ».
(2) Marque déposée – The Dow Chemical Company.
La figure 1 est un diagramme montrant la liaison entre le poids moléculaire et la charge ionique. Les produits disponibles actuellement répondent à tous les besoins possibles. Toutefois, si cela se montrait nécessaire ou utile, des produits spéciaux peuvent être créés sans problèmes. Les spécifications détaillées pour chaque produit sont fournies à la demande.
Nous pensons utile de donner ci-dessous les détails de deux exemples d'application extraits du grand nombre de possibilités d'application.
FLOCULATION DES ÉGOUTS BRUTS À L'USINE DE TRAITEMENT DES EAUX USAGÉES DE LA VILLE DE ZURICH
— d'une part la consommation d'eau augmente, de même que la concentration des produits faiblement dégradables, d’autre part les spécifications concernant les eaux traitées sont de plus en plus exigeantes.
Il est souvent impossible de construire une usine de traitement répondant à toutes les exigences.
Afin de rester maître de la situation jusqu’à la fin des travaux d'installation de l'usine, il est souvent nécessaire de recourir à des mesures d’urgence sous la forme de traitement des effluents par voie chimique. Ceci est par exemple le cas à Zurich, la plus grande ville de Suisse.
Historique :
L'usine de traitement des effluents de Werdhölzli, la plus grande des deux usines de la ville, traite les eaux usées des quartiers de la ville des deux côtés du lac de Zurich et de la Limmat, et également de deux communes en bordure du lac.
L'installation de l'usine dura deux ans, de 1924 à 1926. Elle fut agrandie une première fois de 1930 à 1932, puis une deuxième fois dans les années 60. À cette époque, on avait tenu compte des besoins de 1970 pour déterminer l'ampleur des travaux à effectuer.
Ce fut l'occasion d’adjoindre une installation de traitement par voie biologique aux installations déjà existantes dont le principe était un traitement par voies mécaniques. Cependant,
ARA WERDHOLZLI - VILLE DE ZURICH
Données Techniques
Population
| Traitement mécanique : 500 000 équivalents-habitants |
| Traitement biologique : 300 000 équivalents-habitants |
Débits en eaux usées
| — minimum nocturne : 6 120 m³/h = 1,7 m³/s |
| — moyenne journalière : 10 000 m³/h = 2,78 m³/s |
| — maximum diurne : 14 400 m³/h = 4,00 m³/s |
Débits par temps de pluie
| — Traitement mécanique : 30 600 m³/h = 8,50 m³/s |
| — Traitement biologique : 12 600 m³/h = 3,50 m³/s |
Débits en boues
| boues primaires et secondaires : 1 500 m³/j |
| boues épaissies : 1 100 m³/j |
| boues digérées : 900 m³/j |
Les résultats obtenus grâce à cette adjonction et aux travaux de modernisation ne suffisent plus pour satisfaire aux spécifications exigées de nos jours.
Les exigences techniques d'une expansion de l'usine de Werdhölzli sont très grandes puisque l'eau de la Limmat, la rivière qui traverse Zurich, filtre lentement dans la nappe d'eau de la vallée qui représente la source principale d'eau potable de la région. De plus, on a installé un barrage sur la Limmat à la hauteur de Wettingen, ce qui n'arrange rien puisque la régénération naturelle de l'eau se trouve ralentie si l'eau stagne. Ainsi, on comprend pourquoi il faut veiller à la bonne qualité de l'eau de la rivière dès le début.
Une chose est certaine : les spécifications exigées pour l'eau traitée ne peuvent être atteintes par un simple agrandissement des unités. Il faut sérieusement envisager de nouvelles étapes au traitement.
À la suite d'importants travaux, études et essais pilotes, le modèle suivant fut retenu pour procéder à l'expansion de l'usine (figure 2) :
— Amélioration de la partie de traitement mécanique, et entre autres, réduction de l'émission d’odeurs ; — Expansion de l’unité de traitement biologique par une élimination des phosphates ; — Construction d’une unité de filtration comme traitement postérieur au traitement biologique ; — Expansion des unités de traitement des boues compte tenu de l'usage principal des boues résiduelles dans l'agriculture, comme auparavant ; — Régularisation du débit d'eau à traiter en temps de sécheresse ou en temps de pluie par stockage des excès formés par temps de pluie dans un grand réservoir souterrain placé sur l'île (Werdinsel) Werd.
Les expansions et modernisations indiquées dans le programme ci-dessus ne seront réalisées que dans les premières années 80. Afin d'obtenir immédiatement des résultats concernant les effluents de l'usine (voir fig. 3), en d'autres termes une amélioration de la qualité de l'eau traitée, des mesures d'urgence sont nécessaires. Il s'agit là d'un traitement chimique.
Traitement chimique des effluents
Le traitement chimique des effluents est très avantageux lorsqu'on désire augmenter l'efficacité de l'usine de traitement existante sans grand investissement. Dans le cas de la ville de Zurich, voici le traitement qui fut retenu (fig. 4 et 5) :
- Précipitation des effluents bruts à l'aide de chlorure ferrique dans des bacs de décantation aérés pour séparer les huiles et dans les lits de sables (16 mg Fe³⁺/l d'effluent).
- Floculation des effluents bruts à l'aide du floculant anionique PURIFLOC A-23 à la sortie des bacs de décantation mentionnés en (1) (0,4 mg A-23/l d'effluent).
- Précipitation et floculation de l'eau à la sortie des bacs biologiques à l'aide de chlorure ferrique (50 mg Fe³⁺/l d'eau).
- Floculation de la boue activée à l'aide du floculant cationique PURIFLOC C-40 à l'entrée des bacs de clarification (0,4 mg C-40/l d'effluent).
Cette solution donne d'excellents résultats ; les bacs de décantation aérés pour la séparation des huiles permettent un bon mélange et un temps de réaction suffisamment long pour obtenir une réaction complète et une efficacité maximale des agents de précipitation et de floculation.
L'addition de chlorure ferrique donne la formation d'hydroxyde et de flocs de phosphate ferrique. Les hydroxydes métalliques positivement chargés forment des liaisons avec les colloïdes chargés négativement dans l'eau usée. À l'aide de PURIFLOC A-23, ces petits flocs s'agglomèrent en gros flocs qui décantent rapidement. On obtient ainsi une meilleure efficacité des bacs de décantation primaire (voir figure 5).
La partie de l'eau qui, après traitement biologique, retourne à l'unité de traitement représente une bonne partie de ce que l'unité doit traiter. La précipitation et la floculation augmentent ici également le rendement du bac à décantation placé après le traitement biologique.
Grâce à ces mesures importantes, la charge des unités de traitement biologique est réduite de moitié environ.
L'unité de traitement biologique est conçue d'après le principe de fonctionnement des boues activées et est dotée d'un système d'aération produisant des bulles de taille moyenne. En effet, l'absorption d'oxygène limite la décomposition. Ainsi, la charge étant réduite grâce à ce principe, on atteint un degré de purification suffisant. Comme les bacs de décantation qui suivent sont également surchargés du point de vue hydraulique, l'addition de floculant cationique PURIFLOC C-40 est utile puisqu'elle élève la vitesse de sédimentation de la boue activée.
Résultats.
Le traitement décrit ci-dessus est en application depuis octobre 1975. Les résultats sont conformes à ce que l'on attendait (voir fig. 6). Il y eut quelques difficultés mineures
au départ, en particulier au niveau du traitement bactériologique et de la floculation qui s'ensuit. Après floculation la boue flottait sur l'eau usée à cause d'un refroidissement insuffisant de l'eau traitée et d'effets inattendus par les gaz. Depuis, la qualité des effluents s'est très améliorée, de telle façon qu'il ne se forme presque plus de boue susceptible de flotter. De même, dans les bacs de décantation postérieurs, il y avait une tendance à la formation de boue flottante, mais ici également ce phénomène a disparu après quelque temps.
L'incidence du traitement chimique fut d'augmenter la quantité de boue en circuit. Comme précédemment, une bonne partie de la boue était rejetée à la rivière Limmat, on devait s'attendre à un tel résultat. Toutefois, les quantités que l'on atteignit dépassèrent les prévisions.
D'après cet exemple, on peut conclure que le traitement chimique des eaux usées urbaines est une méthode adaptée et pratique pour rapidement résoudre des problèmes provenant d'installations surchargées. Cependant, dans le cas normal, cette méthode reste une méthode d'exception temporaire. Il existe des cas où l'utilisation d'un traitement chimique peut devenir la solution définitive parce qu'elle est alors la solution la plus adaptée au problème. Nous pensons ici aux installations de traitement des effluents où, à la suite de phénomènes saisonniers, les quantités à traiter varient énormément (vacances, industries saisonnières, etc.). Dans ces cas, la méthode de traitement par produits chimiques devrait être utilisée bien plus souvent, particulièrement pour les endroits où la loi interdit la présence de phosphate et oblige à leur élimination.
SEPARATION DE L'EAU DE LA BOUEÀ L’AIDE D'UN FLOCULANT CATIONIQUE LIQUIDE —USINE DE TRAITEMENT DES EAUX DE GROSSLAPPENÀ MUNICH
L'usine de traitement des effluents de Grosslappen traite quotidiennement environ 550 000 m³ d’effluent. L’évacuation de la boue résultante de ce traitement a représenté un problème épineux pendant longtemps. Aujourd'hui la ville dispose d'un matériel important :
— Appareil pour le conditionnement thermique de la boue (Système Porteous de la firme Techfina, et un filtre-presse) ; — Deux centrifugeuses S4-1 de la société KHD.
Ci-dessous, nous retraçons les détails de notre expérience avec le floculant cationique liquide PURIFLOC C-40 qui fut employé pour le conditionnement des boues à Grosslappen (Munich). L'installation de centrifugation de l'usine de Munich est du type classique d’aujourd’hui. La boue à traiter est pompée d'un réservoir vers les centrifugeuses et y est mélangée au floculant cationique qui la fait floculer. En moyenne, la teneur en matières solides de la boue à traiter est de 3 % à peine et celle de la boue après traitement est d'environ 22 %. Le centrifugat contient pour sa part moins de 3 mg/l de matières susceptibles de décanter par la suite.
Comme toujours lors d'un traitement par voie chimique, les coûts d'exploitation sont relativement élevés et sont principalement dus au floculant. C'est pour cette raison que leur emploi demande un maximum d'attention. À Munich, on utilise à présent le PURIFLOC C-40. Ce PURIFLOC est un floculant cationique à base de polyacrylamide. Il est livré en solution à 5 % et possède comme avantage sur les autres produits floculants le fait qu'il suffit de le diluer pour l'utiliser sans avoir à le laisser reposer. Cette propriété rend l'addition de PURIFLOC C-40 très simple et permet de procéder d'une manière parfaitement continue et entièrement automatisée. La figure 7 montre comment l'installation permettant l'addition de PURIFLOC C-40 a été réalisée à Munich. La figure 8 donne des chiffres relatifs à cette installation.
Performances de l'usine.
Les performances de l'usine ont été publiées par le directeur lui-même, M. Wolfgang Tischer dans un article paru dans Abwassertechnik (volume 3/1975, pages 23 et 24). Cet article donne les performances sur deux données consécutives. Dans ce qui suit, il ne sera question que des performances du floculant.
Le système de dilution et de dosage du PURIFLOC C-40 fonctionne sans aucun problème. La société Dow Chemical a développé elle-même le mixeur le plus adapté pour mélanger ses floculants. Ce mélangeur représenté par la photo est du type statique et permet un mélange facile de PURIFLOC C-40 avec l'eau. La fenêtre permet de contrôler facilement le déroulement de l'opération et de décoller les bouchons. Une seule difficulté, le pH du floculant qui est de 9. À ce pH la dureté carbonatée de l'effluent est précipitée et conduit à la formation de croûtes dans les tuyauteries. Cependant, une disposition adéquate et l'emploi d'un bon matériel pour les
Résultats :
| Unités | 1972 | 1973 | 1974 | Total | |
|---|---|---|---|---|---|
| Débit des boues | m³ | 6 000 | 64 000 | 192 000 | 262 000 |
| Concentration moyenne des boues | % | 3,3 | 4,2 | 4,7 | 4,5 |
| Débit de matière solide | t | 200 | 2 700 | 9 900 | 11 900 |
| Consommation de floculant | kg | 1 000 | 9 300 | 30 800 | 41 100 |
| g/m³ | 167 | 145 | 160 | 157 | |
| g/kg TS | 5,0 | 3,5 | 3,4 | 3,5 | |
| Durée de l’opération | h | 240 | 2 472 | 6 392 | 9 104 |
Caractéristiques typiques des boues :
% matière sèche
à l’entrée : 3-10 % TS
à la sortie : 20-30 % TS
Concentration de matière sédimentable : 0-(3,0) mg/l
Concentration (DBO) : 100-300 mg/l
Floculant utilisé : PURIFLOC C-40
Capacité de stockage : 2 × 25 m³ de liquide PURIFLOC C-40 à une concentration de 5 %
Nature des cuves de stockage : polyester armé à la fibre de verre
Appareil de mélange : mélangeur statique « Dow Chemical », dilution dans la conduite et addition directe dans les boues
Fig. 9.
Les tuyauteries permettent de régler le problème sans difficulté, sans créer un danger quelconque pour la sécurité, et facilitent leur élimination par le personnel de l’usine.
Les dépôts de phosphate double d’ammonium et de magnésium dans le circuit du centrifugat n’ont pas pour origine l’emploi de floculant. Ils apparaissent généralement aux endroits de forte turbulence, à la suite d’une élévation du pH provoquée par une désorption de CO₂. Ces dépôts apparaissent dans certaines usines de traitement et peuvent être évités en diluant le centrifugat par des eaux usagées fraîches. L’adjonction se fait immédiatement après la centrifugeuse. Cette solution donne de bons résultats. À Munich, elle ne fut pas employée à cause de la disposition mal commode des appareils. Actuellement, une solution adéquate pour empêcher ces dépôts est à l’étude.
L’emploi du PURIFLOC C-40 ne représente aucun danger dans l’usine. Le fait que, durant toutes les opérations, le PURIFLOC C-40 soit tenu sous conduits fermés fait que les dangers (tels que le sol glissant à cause des polyacrylamides) sont écartés d’emblée — ce qui n’est pas le cas lors de l’emploi de floculants en poudre poussiéreuse, qui, de leur côté, renferment un grand nombre de dangers tels que :
— le salissage des vêtements et des outils,
— le contact direct avec la peau.
PURIFLOC C-40 n’est pas vraiment toxique. Cependant, il faut éviter un contact répété avec la peau car cela pourrait conduire à des irritations et des blessures comme c’est d’ailleurs le cas pour tous les floculants.
Les pompes, les instruments et les appareils divers en sont parfaitement rentabilisés. En particulier, on peut s’attendre à une longue vie des pompes à vis excentrique employées avec le PURIFLOC C-40, car ce produit a d’excellentes propriétés lubrifiantes.
L’intégrateur de débit est un compteur à disque ovale. Il donne la quantité de floculant ajoutée avec la précision désirée. Ce type d’intégration de débit est sensible à l’encrassement par des matières solides. C’est pourquoi il faut prévoir un nettoyage périodique qui est effectué à Munich. La consommation de floculant est donnée dans le tableau. Il est clair que ces chiffres ont des valeurs indicatives et ne peuvent être reportés à d’autres installations. Pour toutes nouvelles applications, il faudrait refaire des tests pour établir les niveaux de consommation.
Résumé.
L’emploi de floculant visant à l’amélioration du rendement de purification des usines de traitement des effluents surchargés s’est montré parfaitement rentable et efficace, comme le montre en particulier l’exemple de la ville de Zurich. Le rendement des bacs de clarification primaire, mesuré en DBO₅, peut s’en trouver doublé. L’efficacité des bacs de clarification soumis à une trop forte charge du point de vue hydraulique peut être grandement améliorée à l’aide de floculant cationique. À Zurich, on emploie à cet effet le floculant cationique liquide PURIFLOC C-40 dont la mise en œuvre facile s’est parfaitement rentabilisée.
Le même produit est utilisé à Munich pour séparer l’eau de la boue à l’aide de centrifugeuse. La manipulation facile de PURIFLOC C-40 représente à Munich également un gros avantage vis-à-vis des produits pulvérulents, en premier lieu parce que le PURIFLOC C-40 peut être employé en continu et dans une canalisation parfaitement fermée tout au long du circuit.
U. MEIER – D. TARDY.
