Chapitre 3 -Coagulation - Floculation.pdf

Chapitre 3 – La coagulation, la floculation et l’agitation GCI 720 - Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2015 © Hubert Cabana, 2015

1

AWWA, 1990 © Hubert Cabana, 2015

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, 2015

3

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

 Dureté  Ions métalliques (eg. As5+)

© Hubert Cabana, 2015

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

Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996. 14


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

4qd   D   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 diélectriq ue du liquide 15


Coagulation – Déstabilisation des charges  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)  PASS (poly-silico-sulfates-d'aluminium),  les PAC (polychlorures d'aluminium)  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 ions 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 )


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Quelques illustrations  Sulfate ferrique → Élimination de l’alcalinité

Fe2 (SO4 )3  3Ca( HCO3 ) 2  2Fe(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

2FeCl 3  3Ca( HCO3 ) 2  2Fe(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 14H 2O  3Ca( HCO3 ) 2  2 Al (OH )3 (s)  3CaSO4  6CO2  14H 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


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


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


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Injection du coagulant  Le dosage doit être effectué de façon continue et

proportionnelle au débit;  Lorsqu'un agitateur est utilisé, le coagulant doit être injecté dans la zone où la turbulence est la plus grande, soit au-dessus ou au-dessous de l'hélice selon qu'elle refoule ou aspire l’eau.  Il est souhaitable de prévoir au moins un autre point de dosage supplémentaire pour s’assurer que le mélange sera optimisé pour toutes les périodes de l’année; © Hubert Cabana, 2015

33


34

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 35


Mélange rapide – Mélangeurs mécaniques

36


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

Mélange rapide – Mélangeurs mécaniques Avantages

Inconvénients

 Agitation indépendante du

débit;

 Équipements additionnels

nécessaires (moteur, hélices, etc.);

 Agitation ajustable;  Fiabilité du processus  Opération flexible.

dépend de la fiabilité des équipements.


37

AWWA, 1990 © Hubert Cabana, 2015

38

Types d’agitateurs utilisés


Qasim et al., 2000

39

Qasim et al., 2000 © Hubert Cabana, 2015

40

Dispositif de mélange mécanique  Un dispositif mécanique de mélange rapide,

souvent vertical à hélice, est habituellement utilisé dans le cas d'un bassin de coagulation.  Selon la configuration du bassin (si la profondeur est plus

grande que deux fois le diamètre), deux hélices peuvent être requises.


41

Autres types d’agitateurs : les agitateurs en ligne  Les mélangeurs à buse;  Les mélangeurs mécaniques en ligne;

 Les mélangeurs statiques;  Les mélangeurs hydrauliques.


42

Les mélangeurs à buse


AWWA, 1990

43

Mélangeur utilisant la force de pompage


AWWA, 1990

44

Les mélangeurs mécaniques en ligne


AWWA, 1990

45

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, 2015

46

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.


47

Mélangeurs hydrauliques


Qasim et al., 2000

48

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


49

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.


50

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

G  dv

dy



P V

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, 2015

51

Puissance fournie au liquide  Connaissant le couple appliqué sur

l’arbre de l’agitateur

P  2nT où : P  Puissance (W) n  vitesse de rotation (rps) T  couple appliqué (N  M) © Hubert Cabana, 2015

52

Puissance fournie au liquide  Connaissant les caractéristiques du système

d’agitation (caractéristiques des agitateurs)…

P  N p n d 2

3

Pour écoulement laminaire Re < 10

ou P  N p n d 3

5


Pour écoulement turbulent Re > 10 000

53

Type d’écoulement

Re 

d n 2



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).


54

Nombre de puissance


Qasim et al., 2000

55

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

pour restrictions

 g hl G  dv   dy  t

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).


56

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, 2015

57

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


58

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

59

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 © Hubert Cabana, 2015

60

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


61

Données requises pour la conception  Les analyses d'eau brute qui suivent (incluant les

variations cycliques de qualité) sont requises pour la conception :  Dureté calcique;  Couleur;  COT;  Fer dissous;  Manganèse dissous (si présence soupçonnée).


62

http://www.hellopro.fr

La floculation © Hubert Cabana, 2015

63

La floculation  La floculation est l’étape de traitement qui suit la

coagulation. Elle vise à favoriser la croissance de flocs par une agitation lente et prolongée de l'eau provenant des bassins de coagulation. Elle est réalisée dans un bassin pourvu d’une unité d’agitation et peut impliquer l'ajout d'un floculant.  La floculation doit obligatoirement être réalisée

avant l’étape de clarification et peut être aussi utilisée avant une filtration directe. © Hubert Cabana, 2015

64

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

65


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

66



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

67


Ajout de floculants  Composés chimiques utilisés pour accélérer le taux

de floculation d’une solution de colloïdes déstabilisés  Polyélectrolytes  Silice activée

 Amélioration de la qualité des flocs formés

68


Polyélectrolytes

69


Droste, R.L., (1997)

Action des polyélectrolytes

70



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, 2015

71

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, 2015 Qmax)

72

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


73

Types de floculateurs

Floculateur à chicanes (hydraulique)

Floculateurs à palettes (mécanique) © Hubert Cabana, 2015

74

Types de floculateurs

Kawamura, 2000 © Hubert Cabana, 2015

75

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


76

Floculateurs mécaniques


77

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.


78

Floculateurs mécaniques  Floculateurs horizontaux  Dimensions typiques • Longueur des bassins : 6-30 m • Largeur des bassins : 3-5 m • Profondeur  largeur.  La dimension des pales doit respecter un ratio D/T = 0,2

à 0,4 où D = longueur des pales et T = diamètre équivalant du bassin;  Utilisés dans des applications « traditionnelles » • Vitesse maximale des palles : 30 – 75 cm/s © Hubert Cabana, 2015

79

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 : 60 s-1 → 15 s-1 • La dimension des pales doit respecter un ratio D/T = 0,2 à 0,4 où D = longueur des pales et T = diamètre équivalant du bassin;


80

Floculateurs mécaniques


Kawamura, 2000

81

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 :

CD Av 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)


82

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

CD

5

1.2

20

1.5

infini

1.9


83

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, 2015

84

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)


85 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: 

 gh   G    t 

0.5

0.5

h G  178 *   à 4C t © Hubert Cabana, 2015

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

86 AWWA, 1990

Floculateurs hydrauliques  Perte de charge associée aux chicanes

2

Kv htour  2g

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

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


87

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

0.75 m;  Profondeur minimale de 1 m.


88

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; © Hubert Cabana, 2015

89

Entreposage des additifs chimiques (coagulants + floculants) © Hubert Cabana, 2015

90

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;


91

 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.


92

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


93

Lectures et exercices suggérées  MDDELCC, Guide de conception des installations

de production d’eau potable. Volume 1 et 2  Chapitres 9.6 et 9.7

 Qasim, Edward et Zhu, (2000). Water Works

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


94

Chapitre 3 -Coagulation - Floculation.pdf

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