Chapitre 3 -Coagulation - Floculation

Chapitre 3 – La coagulation, la floculation et l’agitation GCI 720 - Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2011 © Hubert Cabana, 2011

1

AWWA, 1990 © Hubert Cabana, 2011

2

Contenu Définitions Élimination des substances/particules présentes dans l’eau Les colloïdes et les MES Les substances dissoutes

Coagulation Déstabilisation des charges; Précipitation des substances dissoutes

Agitation des coagulants Énergie fournie; Temps de séjour / volume des bassins, Géométrie des bassins

Floculation Stockage des coagulants / floculants © Hubert Cabana, 2011

3

Processus permettant l’élimination …. Turbidité et MES Couleur Dureté

© Hubert Cabana, 2011

4

Degrémont, 2005


5

Pour illustrer… Rayon équivalent

Dimension approximative de

Temps de sédimentation (h = 10 cm, ρrelative= 2,65)

10 mm

gravier

0,1 s

1 mm

sable grossier

1s

100 µm

sable fin

13 s

10 µm

sédiments

11 min

1 µm

bactéries

100 nm

colloïdes

10 nm

colloïdes

1nm

colloïdes

< 1nm

solution 6

80 jours 20 années

Quid des petites particules???

7


Processus de coagulation/floculation permet d’éliminer ces éléments Procédés physico-chimiques permettant

l’élimination de particules en suspension de très petit diamètre (colloïdes) Temps de sédimentation « infini » Colmatage des filtres

Permet la formation de flocs de grande taille

pouvant sédimentés et/ou être filtrés


8

Particulièrement Coagulation : Représente l’ensemble des mécanismes de déstabilisation d’une dispersion colloïdale menant à l’agglomération de ces particules sous forme de micro-flocs + mécanismes de précipitation des substances dissoutes; Floculation : Représente l’ensemble des mécanismes de transport des particules déstabilisées menant à la collision et à l’agrégation de ces dernières

9


Colloïdes Représente les particules ayant un diamètre variant entre

≈10-8 et ≈ 10-5 m Particule microscopiques et submicroscopiques Origines variées • • • •

10

substances minérales / végétales virus biopolymères bactéries


Propriétés des colloïdes Comportement hydrophile / hydrophobe Forment une dispersion stable capacité des particules à rester en solution sous forme

d’entités distinctes Cette stabilité est due à : • la présence de charges à la surface de la particule • hydratation de la surface par des molécules d’eau

11


Représentation

Solution Surface de cisaillement Particule électronégative Couche rigide

Colloïde

Adaptée de www.aquazet.com 12


Potentiel électrostatique

13


Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996.

Potentiel électrostatique

14


Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996.

Forces de répulsion La répulsion est due aux forces électrostatiques Ces forces sont mesurées par le potentiel zêta

4πqd ζ = D ζ = potentiel zeta q = nb de charges par unité de surface d = épaisseur de la couche dans laquelle il y a un gradient de charges D = constante diélectrique du liquide 15


Coagulation Le processus de coagulation repose sur la

déstabilisation des particules, i.e. favoriser l’attraction entre les colloïdes Répulsion

Coagulant

Attraction

Ajout de coagulant

16

Alimentation


Déstabilisation des colloïdes Se fait par l’ajout de coagulants qui : Compressent la couche double Neutralisent les charges de surface Piègent le colloïde dans un précipité Favorisent le pontage intra-particulaire

Dans la pratique, les coagulants utilisés combinent ces différentes approches 17



Qasim et al., 2000

18

Coagulants utilisés Sels métalliques Sulfate d’aluminium (Al2(SO4)3).14H20 (Alun) Sulfate ferreux (FeSO4) Sulfate ferrique (Fe2(SO4)3) Chlorure ferrique (FeCl3) Polyélectrolytes Synthétiques Naturels 19


Actions des ions métalliques hydrolysés Adsorption par la particule ET neutralisation de

charges

Adsorption ET pontage interparticulaire Piégeage dans des flocs

20


Précipitation des solides dissouts Certains ions sont éliminés des eaux par

précipitation :

Carbonates (alcalinité); Fer; Calcium; Manganèse et Magnésium.


21

Le produit de solubilité +

MX ⇔ M + X +

−

−

K sp = [ M ][ X ] • Si [M+][X-] est < Ksp → la solution est sous-saturée (donc, il n’y a pas de solides qui précipitent ) • Si [M+][X-] est > Ksp → la solution est sur-saturée (donc, il y a des solides qui précipitent )


22

Quelques illustrations Sulfate ferrique → Élimination de l’alcalinité

Fe2 ( SO4 ) 3 + 3Ca ( HCO3 ) 2 ⇔ 2 Fe(OH ) 3 ( s ) ↓ +3CaSO4 + 6CO2 1 mg de sulfate ferrique consomme 0.75 mg d’alcalinité et génère 0.54 mg de boues sous forme d’hydroxyde de fer.

Chlorure ferrique → Élimination de l’alcalinité

2 FeCl3 + 3Ca ( HCO3 ) 2 ⇔ 2 Fe(OH ) 3 ( s ) ↓ +3CaCl2 + 6CO2 1 mg de chlorure ferrique consomme 0.92 mg d’alcalinité et génère 0.66 mg de boues sous forme d’hydroxyde de fer.


23

Quelques illustrations Alun→ Élimination de l’alcalinité Al2 ( SO4 ) 3 • 14 H 2O + 3Ca ( HCO3 ) 2 ⇔ 2 Al (OH ) 3 ( s ) ↓ +3CaSO4 + 6CO2 + 14 H 2O 1 mg d’Alun consomme 0.51 mg d’alcalinité et génère 0.26 mg de boues sous forme d’hydroxyde de fer.


24

Optimisation de la coagulation : en pratique Jar tests (essais de coagulation/floculation) Procédure expérimentale simulant la coagulation/floculation qui permet de déterminer les conditions optimales de coagulation (pH, [coagulant])

Détermination du pH optimal (pour 1 coagulant donné) • Remplir les béchers avec l’eau à traiter • Ajuster le pH de chaque bécher à une valeur prédéterminée ( eg. pH: 5.0; 5.5; 6.0; 6.5; 7.0; 7.5) • Ajouter la même concentration de coagulant dans chaque bécher 25


Jar tests (suite) Agitation intense (100-150 rpm) pendant 1 minute Réduction de l’agitation à 25-30 rpm pendant 15-20

minutes Cette agitation favorise la formation de floc (floculation) Arrêt de l’agitation Sédimentation des flocs de 30-45 minutes Mesure de la turbidité résiduelle dans chaque bécher

26


Le pH optimal correspond à celui permettant d’obtenir la turbidité minimale à la fin du test Turbidité résiduelle vs pH pH optimal: 6.3

27


Détermination de la [coagulant] optimale • Répéter les étapes précédentes, mais : – Ajuster le pH de la solution au pH optimal (eg. 6.3) – Tester différentes concentrations de coagulant (eg. 5; 7; 10; 12; 15; 20 mg l-1)

28


PC1

Détermination de la [coagulant]optimale [coagulant]optimale: 12.5 mg/L

[coagulant] (mg l-1)

Dans la majorité des cas, l’alun est utilisé comme coagulant à une concentration moyenne de 16 mg Al / l 29


Diapositive 29 PC1

Titre ? Pierre Cabana; 08/10/2007

Jar tests

30

Bratby, J., 2006


Impact du pH

31


Metcalf & Eddy inc., 2003.

Choix et dosage du coagulant Chaque eau doit être testée individuellement; Choix du coagulant se fait selon des

considérations :

Économiques (coût, quantité de boue générée, coût de

valorisation des boues, etc.); Sécurité; Capacités d’entreposages


32


33

Pour s’assurer une déstabilisation adéquate Il est impératif de disperser rapidement le coagulant

de façon à :

Éliminer les réactions entre les espèces responsables de

la coagulation Uniformiser le coagulant Fournir l’énergie nécessaire au pontage interparticulaire

Nécessite un mélange court et intense 34


Mélange rapide – Mélangeurs mécaniques

35


Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996

Mélange rapide – Mélangeurs mécaniques Avantages

Inconvénients

Agitation indépendante du

débit;

Agitation ajustable; Opération flexible.

Équipements additionnels

nécessaires (moteur, hélices, etc.);

Fiabilité du processus

dépend de la fiabilité des équipements.


36

AWWA, 1990 © Hubert Cabana, 2011

37

Types d’agitateurs utilisés


Qasim et al., 2000

38

Qasim et al., 2000 © Hubert Cabana, 2011

39

Autres types d’agitateurs : les agitateurs en ligne Les mélangeurs à buse; Les mélangeurs mécaniques en ligne; Les mélangeurs statiques; Les mélangeurs hydrauliques.


40

Les mélangeurs à buse


AWWA, 1990

41

Mélangeur utilisant la force de pompage


AWWA, 1990

42

Les mélangeurs mécaniques en ligne


AWWA, 1990

43

Mélangeurs statiques

http://www.northlandengineering.net/

http://ndep.nv.gov/bffwp/images\cc_static_mixer.jpg

http://www.youtube.com/watch?v=N9cM64wylM0&NR=1 © Hubert Cabana, 2011

44

Mélangeurs hydrauliques Peut utiliser la turbulence générée par différents

types de déversoirs (ex : en V, Parshall, etc.) et autres équipements hydrauliques (ex : valves) pour mélanger le coagulant. Perte de charge ne doit pas être trop importante (ex :

dans une valve inférieure à 4 ft);

Un déversoir dont la chute est de 1 pied, peut générer

des taux de cisaillement de 1000 s-1 à 20°C.


45

Mélangeurs hydrauliques


Qasim et al., 2000

46

Conception des unités de coagulation Agitation « intense »; Taux de cisaillement (G-value); Puissance dissipée; Puissance fournie. Temps de séjour; Dimensions des bassins.


47

L’agitation Doit fournir suffisamment d’énergie pour disperser

les coagulants utilisés.

Les réaction de coagulation ont lieu rapidement; Réactions de précipitation sont plus lentes;

Utilisation du gradient de vitesse pour déterminer

l’efficacité de l’agitation.


48

Gradient de vitesse Gradient de vitesse (G) G = gradient de

G = dv

dy

=

P µV

vitesse (s-1) P = puissance fournie au liquide (W) µ = viscosité (Ns/m2)

Le taux de collision est proportionnel à G Le nombre de collisions à GXt = GXV/Q © Hubert Cabana, 2011

49

Puissance fournie au liquide Connaissant le couple appliqué sur

l’arbre de l’agitateur

P = 2πnT où : P = Puissance (W) n = vitesse de rotation (rps) T = couple appliqué (N ∗ M) © Hubert Cabana, 2011

50

Puissance fournie au liquide Connaissant les caractéristiques du système

d’agitation (caractéristiques des agitateurs)…

P = N p µn d 2

3

Pour écoulement laminaire Re < 10

ou P = N p ρn d 3

5


Pour écoulement turbulent Re > 10 000

51

Type d’écoulement

d nρ 2

Re =

µ

Où : d = diamètre des palles de l’agitateur (m); ρ = densité de l’eau (kg/m3); µ = viscosité de l’eau (N* s * m-2) n = vitesse d’agitation (rps; s-1).


52

Nombre de puissance


Qasim et al., 2000

53

Gradient de vitesse Gradient de vitesse (G) G = gradient de

pour restrictions

 gρ hl G = dv =  dy  tµ

  

http://www.philip-lutzak.com/weather/GRAVITY%20WAVES%20%20GOM/GRAVITY%20WAVES%20-%20GOM%20HOME.htm

vitesse (s-1) µ = viscosité (Ns/m2) ρ=densité du liquide (kg/m3) t=temps de séjour (s) hl = perte de charge (m).


54

Gradient de vitesse Temps de rétention (s)

G (s-1)

20

1000

30

900

40

790

50 ou plus

700 Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996 © Hubert Cabana, 2011

55

Impact de la température µ et ρ de l’eau = F(T°) Température

Masse Viscosité volumique (g/ml) dynamique (cP)

5

0.9999

1.519

10

0.9997

1.307

15

0.991

1.139

20

0.9982

1.002

Voir annexe A-2 pour plus de données


56

Facteurs de correction Correction du temps de séjour en fonction de la T° Température

Facteur de correction

0

1.35

5

1.25

10

1.15

15

1.07

20

1

25

0.95

30

0.9


AWWA, 1990

57

Géométrie du bassin de mélange rapide Objectif : fournir une agitation uniforme (G uniforme); Éviter les bassins circulaires Possibilité d’utiliser des chicanes Forme privilégiée : Bassins carrés Ratio profondeur : largeur = 2:1 Typiquement des agitateurs favorisant le mouvement

du fluide de façon verticale


58

Géométrie du bassin de mélange rapide Le volume du bassin est fonction du temps de

séjour (t) choisi

Fonction des essais préliminaires (type d’eau, type de

coagulant, etc.)

• Typiquement Gt = 30 000 – 60 000 • Typiquement : 0.2 – 5 minutes • G : 700 – 1000 s-1

V=Qt


59

http://www.hellopro.fr

La floculation © Hubert Cabana, 2011

60

Une fois que les particules sont déstabilisées? Le mouvement Brownien


Mouvement aléatoire, irrégulier, désordonné et incessant des particules en suspension dans un fluide

1) Microfloculation ( ou péricinétique) Phénomène important pour les particules dont le diamètre

varie entre 1 nm et 1 µm

61


Une fois que les particules sont déstabilisées? 2) Macrofloculation (ou orthocinétique) Processus d’agrégation des particules dont le diamètre est > 1-2 µm

62



Floculation orthocinétique Influencée par le gradient de vitesse dans le réservoir L’agitation favorise la présence de gradients de vitesse Ces gradients ne doivent pas être ni trop faibles ni trop

importants

Énergie cinétique insuffisante ↔ Ruptures des flocs

63


Ajout de floculants Composés chimiques utilisés pour accélérer le taux

de floculation d’une solution de colloïdes déstabilisés Polyélectrolytes

Amélioration de la qualité des flocs formés

64


Polyélectrolytes

65


Droste, R.L., (1997)

Action des polyélectrolytes

66



Agitation dans les unités de floculations Agitation « douce » : G = 20 – 70 s-1 t = 10 – 30 minutes Profondeur = 3 – 4.5 m Maximise le contact entre les flocs déstabilisés pour

favoriser la formation de flocs pouvant facilement décanter ou être séparés par filtration.

Uniformité du taux de cisaillement dans le bassin Grand agitateurs couvrant, bien souvent, une grande fraction de la largeur des des bassins. © Hubert Cabana, 2011

67

Agitation dans les unités de floculations Compartimentation des bassins Plusieurs bassins en cascade (2-6, typiquement 3-4) • Diminution de G d’un bassin à l’autre

AWWA, 1990 Le transfert entre chacun des bassins se fait à une vitesse de ~ 30 - 45 cm/s (à © Hubert Cabana, 2011 Qmax)

68

Agitation dans les unités de floculations L’énergie transmise a une incidence sur le type de

flocs produits

Élimination des flocs par filtration directe : • High-energy floculation : G = 20-75 s-1, t = 900 – 1500 s et Gt = 40 000 – 75 000 Élimination des flocs par décantation • Floculation conventionnelle : G = 10-60 s-1, t = 1000 – 1500 s et Gt = 30 000 – 60 000


69

Types de floculateurs

Floculateur à chicanes (hydraulique)

Floculateurs à palettes (mécanique) © Hubert Cabana, 2011

70

Types de floculateurs

Kawamura, 2000 © Hubert Cabana, 2011

71

Floculateurs mécaniques Ces floculateurs offrent une grande flexibilité Variation de G possible; Faible perte de charge. Différents designs possibles Agitation verticale Agitation horizontale Agitation oscillante


72

Floculateurs mécaniques


73

Floculateurs mécaniques Floculateurs verticaux : Bassins carrés • Largeur maximale de 6 m et profondeur variant entre 3 et 5 m; • Utilisés dans des applications où l’on veut fournir plus d’énergie (pour filtration directe); • Vitesse maximale des palles : 3 m/s

• Agitateurs utilisés • Diamètre palle / diamètre équivalent du bassin (D/T) > 0.35 • Vitesse max de la palle (au bout) : 1er bassin < 2.5 m/s; dernier bassin < 0.6 m/s.


74

Floculateurs mécaniques Floculateurs horizontaux Dimensions typiques • Longueur des bassins : 6-30 m • Largeur des bassins : 3-5 m • Profondeur ∼ largeur. Utilisés dans des applications « traditionnelles » • Vitesse maximale des palles : 30 – 75 cm/s


75

Floculateurs mécaniques Floculateurs horizontaux Design des agitateurs • Surface totale des palles d’un rayon = 10 – 25% de l’aire de la section du bassin; • Chaque bras doit avoir minimalement 3 palles; • La vitesse de chaque palle doit se situer entre 0.15 et 1 m/s; • G varie d’une section à l’autre : 55 s-1 → 10 s-1


76

Floculateurs mécaniques


Kawamura, 2000

77

Puissance transmise lors de l’agitation Il est possible de déterminer la puissance

transmise à l’eau selon les expressions précédentes (v. diapo 56 et +); Lorsqu’un agitateur à palettes :

C D Aρv P= 2

3

P = puissance (W); CD = Coefficient de trainée; A = aire totale des palettes (m2); v = vitesse des palles p/r à la vitesse de l’eau (m/s)


78

Puissance transmise lors de l’agitation – coefficients de trainées Ratio longueur : largeur

CD

5

1.2

20

1.5

infini

1.9


79

Géométrie d’un bassin de floculation Typiquement 3-4 section dans 1 bassin; Chaque bassin est séparé par des déversoirs; Pour des floculateurs verticaux Typiquement bassins carrés de (LXlXh) : 6 X 6 X 3-5 m Pour des floculateurs horizontaux Typiquement (LXl) : 3-5 X 6-30 m. © Hubert Cabana, 2011

80

Floculateurs hydrauliques Utilisés dans de petites installations où le débit est

relativement constant;

Utilisation de chicanes Vitesse : 21 – 43 cm/s G : calculé en

connaissant la perte de charge à l’entrée des bassin (v. eq. 8.25)


81 AWWA, 1990

Floculateurs hydrauliques Typiquement, il y a minimalement 6 canaux de créer dans les floculateurs de type « around-the-end » et « over-and-under »; Temps de séjour minimalement de 20 minutes à Qmax; G peut est associé:

 ρgh   G =   µt  0.5

h G ≈ 178 *   à 4°C t © Hubert Cabana, 2011

Pour cette approximation : t, temps de résidence (min); h, perte de charge (pied) [typiquement de 1-2 pieds].

82 AWWA, 1990

Floculateurs hydrauliques Perte de charge associée aux chicanes

2

htour

Kv = 2g

v=vitesse du fluide (m/s) K=constante empirique (dépend des conditions

d’écoulement (ex : 1.7 pour 90°; 3.2 pour 180°))


83

Floculateurs hydrauliques G = 30-40 s-1; Typiquement, la distance entre les chicanes est >

0.75 m;

Profondeur minimale de 1 m.


84

Géométrie d’un bassin de floculation – les vitesses typiques À l’arrivée : 0.45 – 0.9 m/s; Dans les bassins de floculation : 0.15 – 0.45 m/min; Les déversoirs sont conçus pour que la vitesse soit de

0.3 – 0.45 m/s. Les ouvertures représentent de 3-6 % de la surface totale du mur;

À la sortie (vers décanteur) la vitesse doit être de 0.15

– 0.45 m/s;


85

Entreposage des additifs chimiques (coagulants + floculants) © Hubert Cabana, 2011

86

Stockage et distribution des produits chimiques Les produits chimiques doivent être entreposés

adéquatement;

Chaque produit doit être stocké dans plusieurs

réservoirs et avoir un système de distribution adéquat;


87

Il est impératif de prévoir suffisamment de réactifs

pour une période allant de 10-30 jours. La consommation de réactifs est fonction de la qualité de l’eau brute

Consommation typique, par exemple d’alun, de l’ordre de

10 – 60 mg/l d’eau brute à traiter.

Typiquement réservoirs en béton ou en PVC.


88

En résumé… critères de conception Pour mélangeur rapide t= 0.2 – 5 min (Qc : 1-2 min); G = 700 – 1000 (Qc : 300 – 1500) Gt = 30 000 – 60 000 Pour bassin de floculation t= 20 – 60 min (Qc : 30 min (si coagulant seul), 15 mi (si coagulant + floculant) et 6 minutes (si coagulant+floculant+sable)); G = 15 – 60 (Qc > 10) Gt = 10 000 – 15 000 Vitesse moyenne des pales = 0.3-0.6 m/s Rotation de l’arbre = 1.5 – 5 RPM © Hubert Cabana, 2011

89

Lectures et exercices suggérées Qasim, Edward et Zhu, (2000). Water Works

Engineering. Planning, Design & Operation. Chapitre 8 Exercices suggérés : 8.2; 8.3 et 8.4


90

Chapitre 3 -Coagulation - Floculation

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