COAGULATION, FLOCULATION, SÉDIMENTATION & FILTRATION DES

EAUX USÉES INDUSTRIELLES

Par Emilie Fournier, McGill University & EPFL Mars 2008

INTRODUCTION Eaux usées industrielles: comprennent les eaux usées produites par l'industrie et l'artisanat, ainsi que

les eaux usées similaires, comme celles provenant d'hôpitaux et de laboratoires. La Suisse en produit chaque année environ 500 millions de m3 d’eaux usées. Le Canada : secteurs manufacturier, minier et centrales thermiques d’énergie électrique produisent 6

728 millions de m3 d’eaux usées

Traitement des eaux usées industrielles permet l’élimination de:

- Solides en suspension

-Totalité des solids dissous

-DBO & DCO

-Nitrogène & Phosphore

-Métaux lourds

-etc.

INTRODUCTION

Étapes principales utilisées dans le traitement des eaux usées industrielles :

1. Prétraitements

2. Traitements physico-chimiques (coagulation, floculation, sédimentation & filtration)

3. Traitements biologiques (secondaires)4. Traitements tertiaires5. Traitement des boues

COAGULATION-FLOCULATION-SÉDIMENTATION & FILTRATION

COAGULATION

Coagulation : Traitement chimique pour déstabiliser les colloïdes. Altération de la surface de la charge négative du colloïde de façon à ce qu’ils approchent et adhèrent l’un à l’autre

Colloïdes (particules de 0.001 à 1 μm de diamètre)

•Particules trop petites pour sédimenter dans un temps raisonnable •Surface chargée négativement; répulsion, prévention de collisions

Diametre du colloïde (μm)

Temps de décantation pour 1 m d'eau à 20°C (années)

0.1 20.01 20

0.001 200

COAGULATION

Coagulant: produit chimique ajouté de façon a obtenir la coagulation• cation trivalent• Non toxique• Insoluble dans un pH relativement neutre

Réactifs chimiques : Sulfate d’aluminium hydraté (Al3+ : Al2(SO4)3 ↔ Al(OH)3 précipite ) Chlorure ferrique (Fe3+: FeCl3 ↔ Fe(OH)3 précipite ) Sulfate ferrique (Fe2(SO4)3↔ Fe(OH)3 ) Chaux ou carbonate de calcium pour compenser

l’acidification

COAGULATION Mécanismes de la Coagulation :

Déstabilisation: Neutralisation de la surface de la charge des colloïdes par l’addition d’ions à charge positive, sels métalliques ou minéraux

Théorie de la double couche: Colloïde chargé négativement, une couche fixe d’ions positifs l’entoure, en s’éloignant dans une couche diffuse, le potentiel décroit pour atteindre la neutralité dans la masse de la solution : potentiel zêta

Potentiel Zêta : Caractéristique des forces répulsives entre particules. Se détermine par la mesure des vitesses de déplacement d’une particule soumis à un champ électrique (doit être annulé)

Théorie Double Couche,GCH13201, Université Laval

FLOCULATION

Floculation: Ensemble des phénomènes physico-chimiques menant à l'agrégation de particules stabilisées pour former des flocons ou « flocs »

Phénomène réversible, c'est à dire que l'on peut casser ces agrégats, par exemple en agitant fortement le liquide, pour retrouver la solution de colloïdes initiale

Formation de flocs: agglomération des particules neutralisées par la coagulation qui décantera par la suite

Lien entre particules : polymères sont très efficaces

FLOCULATION Floculant: polymère de haut poids moléculaire à

structures linéaires et solubles dans l’eau. Les floculants existent sous forme solide, en billes ou en solution

Polymères non-ioniques, anioniques (-) ou cationiques (+)

Les particules vont se retrouver piéger dans les mailles du floculant pour ainsi créer des flocs

FLOCULATIONType d'industrie Floculants

Mines et Carrières anionique

Teintureriesrésines dicyandiamide +

polychlorure d'aluminium + floculant anionique

Papeteriespolyamine ou

polydadmac + floculent anionique

Effluents chargés d'huilepolyamines ou résines

dicyandiamide

Chimique polyamines + floculant anionique

Coagulation et floculation sont des processus souvent indissociables. En effet, la coagulation, en diminuant les forces de répulsion entre les particules, favorise les collisions et la formation d'agrégats ; et la floculation, en permettant la croissance des agrégats accélère la séparation des phases. Ils éliminent près de 80% des matières en suspension.

CARACTÉRISTIQUES DES RÉSERVOIRS UTILISÉS

Réservoir pour la coagulation :

• Objectif: disperser les produits chimiques de façon égale

• Vitesse rapide • Fort débit à l’entrée• Temps de résidence

hydraulique court

CARACTÉRISTIQUES DES RÉSERVOIRS UTILISÉS

Basin de Floculation: • Objectif: formation de

flocs• Mélange uniforme et

doux• Vitesse adéquate requise

pour avoir des collisions entre particules

• Temps de résidence hydraulique long

• Particules ne doivent pas descendre au fond (basin de sédimentation)

RÉSERVOIRS UTILISÉS, FLOCULATION

Constant speed and variable speed - heavy-duty drives available to match shaft mounted drive arrangement in a dry well or in a wet well chain drive

Variable Horizontal design - speed paddle type flocculators furnished with fiberglass paddles -drive shafts available in solid shaft or torque tube configurations in either stainless or carbon steel

CIVE 225, McGill University

RÉSERVOIRS UTILISÉS, FLOCULATION

create aeration zones separate anoxic zones from the rest of the tank create chlorine contact chambers designate mixing zones separate clarification areas from other parts of a

tank capture surface scum and debris

CIVE 225, McGill University

SÉDIMENTATION

Sédimentation ou Décantation:

procédé d’enlèvement des matières solides décantables en suspension dans l’eau

Types de sédimentation

Types Particules Milieu Mode de décantation Vitesse

I non flocculantes diluéparticules indépendantes les

unes des autresconstante

II flocculantes dilué flocs de plus en plus grosaugmente avec

la taille

III flocculantes concentré flocs décantent en bloc lente

IV structure très concentréparticules forment une

structure qui se modifierapar

compression

Caractéristiques de la décantation

SÉDIMENTATION

Les équipements de décantation:• Décanteurs circulaires ou rectangulaires avec

dispositif de raclage pour enlever les boues

• Utilisent la gravité pour enlever les particules de l’eau tandis que les huiles et graisses restent en surface et seront enlever par flottation

• Temps de rétention assez long de façon à ce que les particules décantent avant d’être éliminées

• Extrait : • 20-40% de DBO5 • 40-60% des particules en suspension

BASSIN TYPE DE SÉDIMENTATION

4 zones principales du bassin

• Zone d’entrée:• distribue uniformément l’eau

et les particules en suspension à travers la zone de sédimentation

• série de conduits à l’entrée et oriente ensuite dans le réservoir

• écoulement uniforme dans la cuve

• Zone de sédimentation :• écoulement laminaire et

passif

Rectangular Sed. Tank,CIVE 225, McGill University

BASSIN TYPE DE SÉDIMENTATION

• Zone de sortie : • présence de barrages

pour éviter toute turbulence et laisser quitter uniquement la couche supérieure d’eau à l’extérieur du réservoir

• Zone d’entreposage de la boue:• hauteur d’environ 2m

près de l’entrée et 0,3m près de la sortie

• grattoir pousse la vase dans des distributeurs

Sludge Removal, Circular Tank,CIVE 225, McGill University

FILTRATION Filtration: Procédé

pour séparer les impuretés suspendues ou colloïdales dans l’eau en faisant passer celle-ci dans un médium poreux, ex: sable

Objectif: Enlever toutes particules fines suspendues n’ayant pas sédimenter de façon à obtenir une eau transparente

Filtration par le sable est une des plus anciennes méthodes connues utilisées dans le traitement des eaux usées. Si désigné, construit et maintenu comme il se doit, le filtre produit un effluent de très grande qualité

Sand FiltrationCIVE 225, McGill University

FILTRE DE SABLE

Le filtre de sable épure l’eau de trois manières :

• Filtration : particules sont physiquement agitées par l’eau usée entrante

• Sorption chimique: contaminants collent à la surface du sable et aux substance biologique de la surface du sable

• Assimilation: microbes aérobiques absorbent les nutriments contenus dans l’eau usée

Continuous Self-cleaning Sand filterAlibaba.com

FILTRE DE SABLE

Simple Slow sand filter Slow sand filters (2.9 to 7.6 m3/d.m2)• Low technical operational demands• Requires high surface area• Sand particles: 0.2 – 0.4 mm• Schmutzdecke layer develops onsurface: effective at removing biologicalparticles – • Cleaning: top layer of sand scraped off

FILTRE DE SABLE Rapid Gravity sand

filter

Rapid sand filters (120 m3/d.m2)• Graded media in bed (mean particle sizes0.2 - 1 mm)• Grain size distribution is optimized to allowwater flow but remove particulate matter

• Dual or mixed media: coarse grains on top of fine grains • Support medium (gravel): to keep sand from leaving with filtered water

VARIABILITÉ DANS LES INSTALLATIONS PROPOSÉES SUR LE

MARCHÉ:

Quantité d’eau évacuée par jour: < 500 m3

• Industries Agroalimentaires (élevages, abattoirs, laiteries, fromageries, beurreries)

• Transformation Lactosérum (Distilleries, embouteillage, confiseries, mielleries)

• Industries de Transformation (stations fruitières) > 500 m3

• Tanneries, Papeteries, Savonneries, cosmétiques

RECHERCHE CONTINUE

Efforts de recherche et développement nécessaires pour répondre aux exigences de qualités très réglementées imposées par le renforcement des contraintes environnementales

Les techniques membranaires se développent mais coagulation reste le procédé physico-chimique le moins cher par rapport à la quantité de particules éliminées

La sédimentation est le procédé de séparation le plus économique en termes de consommation d’énergie, comparé aux technologies plus récentes qui exige un minimum de 1m/h

RECHERCHE CONTINUE

De nombreux laboratoires poursuivent des recherches d’optimisation et des modes d’application sur les phénomènes physico-chimique de la mise en œuvre des coagulants-floculants (sels d’aluminium, fer hydrolysables, polymères organiques)

Recherche continue sur les nouveaux produits tels que les polymères plus facilement biodégradables

BIBLIOGRAPHIE

http://www.bafu.admin.ch/gewaesserschutz/01295/index.html?lang=fr

http://www.hydranet.net/eaux-usees.php#industrielles

http://fr.wikipedia.org/wiki/Demande_biologique_en_oxyg%C3%A8ne

http://www.gedo.fr/ficheconseil/traiteau/traitphysico.htm

http://ec.europa.eu/comm/competition/mergers/cases/decisions/m1631_fr.pdf

http://www.gch.ulaval.ca/

http://www.mcgill.ca/

http://openlearn.open.ac.uk/mod/resource/view.php?id=185902

MERCI !!!