Coagulation et floculation dans le traitement des eaux

Les pompes doseuses et les agitateurs sont utilisés dans différents procédés du traitement des eaux municipales et industrielles. Ces équipements sont essentiels à de nombreuses étapes : désinfection, équilibre du pH, filtration, coagulation et floculation. En utilisant des produits fiables et précis, les spécialistes du traitement des eaux peuvent ainsi se concentrer pleinement sur les processus en cours.

Présents dans la production d’eau potable et le traitement des eaux usées, la coagulation et la floculation sont deux procédés essentiels permettant de séparer et d’éliminer les particules solides en suspension dans l’eau à traiter. Ces procédés améliorent la limpidité de l’eau en réduisant la turbidité. La coagulation et la floculation permettent de retirer les particules solides en suspension qui mettraient des jours, voire des décennies, à se déposer naturellement dans l’eau.

Ces deux procédés nécessitent de simultanément agiter l’eau et de lui ajouter des coagulants chimiques. Cela permet d’optimiser la qualité de l’eau ainsi que la durée et le coût du traitement.

En résumé, les procédés de coagulation et de floculation transforment les eaux troubles en eaux limpides en accélérant le temps nécessaire au dépôt des particules. Une fois que les particules se sont déposées, ou sédimentées, il est alors possible de les enlever.

Le procédé de coagulation consiste à neutraliser la charge électrique des particules solides en suspension dans l’eau. Les particules naturelles étant généralement chargées négativement, des coagulants - réactifs chimiques chargés positivement - sont souvent ajoutés afin de neutraliser les charges électriques.

Les coagulants ont pour effet d’annuler la charge électrique des colloïdes leur permettant ainsi de s’agglomérer en éliminant le phénomène de répulsion. Il s’agit d’un processus de neutralisation des charges. Pour imager, prenons l’exemple des aimants : il est impossible de réunir deux pôles sud car ils ont des charges identiques qui créent une force de répulsion.

À l’instar des aimants, les particules colloïdales de même charge se repoussent mutuellement. Et lorsque des millions de particules se repoussent les unes les autres, l’eau devient moins limpide. La neutralisation des charges électriques permet aux particules de s’agglomérer pour former des agrégats appelés flocs.

Ainsi agglomérées, les particules peuvent être supprimées de l’eau à traiter. Et plus les agrégats de particules sont gros, plus il est facile de les enlever. Le procédé consistant à accroître la taille des flocs s’appelle la floculation.

Il existe deux types de coagulants : les coagulants organiques et les coagulants minéraux. Les coagulants minéraux, ou sels minéraux, sont le plus souvent des sels d’aluminium ou de fer. Le sulfate d’aluminium, souvent appelé alun, et le chlorure ferrique sont très couramment utilisés. Toutefois, pour être efficaces, les coagulants doivent être correctement ajoutés à l’eau traitée.

La quantité et le type de coagulants utilisés dépendent de nombreux paramètres. L’environnement et les conditions climatiques influent notamment sur les traitements à mettre en œuvre pour traiter les eaux brutes et donc sur la quantité et le type de réactifs chimiques à injecter. Par exemple, de fortes précipitations ont un impact considérable sur l’eau entrante, ou eau brute, dans les stations municipales de traitement.

Le jar-test est une méthode standard qui consiste à tester différents types et doses de coagulants/floculants sur un échantillon d’eau à traiter. Plusieurs échantillons sont testés afin de déterminer le traitement optimal à appliquer. Ce test permet de définir notamment les doses de réactifs, la vitesse à laquelle l’eau doit être agitée et les temps de mise en œuvre avant de déployer le traitement sur les installations de traitement d’eau.

Les coagulants organiques, également appelés polymères, sont couramment utilisés dans les procédés de traitement des eaux. Les polymères ayant un poids moléculaire plus important que les coagulants minéraux, ils sont généralement plus coûteux à l’achat mais sont utilisés à moindre dose.

Le procédé de coagulation fait également intervenir des fluides à viscosité élevée. On distingue deux types de fluides visqueux utilisés ici : newtoniens et thixotropes.

Les fluides newtoniens ont une viscosité qui ne change pas en fonction de la contrainte mécanique qui leur est appliquée, tandis que les fluides thixotropes voient leur viscosité changer sous l’effet des contraintes mécaniques ou du cisaillement qui leur sont appliqués. C’est pour cette raison qu’il est important de choisir un équipement de dosage compatible avec des viscosités élevées.

Si le procédé de coagulation est particulièrement important, il peut aussi s’avérer relativement coûteux. Son coût dépend essentiellement de la quantité de réactifs chimiques utilisés. Bien que les polymères puissent être plus onéreux à l’achat compte tenu de leur poids, ils peuvent s’avérer plus efficaces que les sels minéraux. En préparant le volume de polymère approprié pour s'assurer d’obtenir une réaction complète, l’efficacité du polymère est optimale réduisant ainsi la quantité à utiliser et par ce fait, cette solution peut s’avérer moins couteuse que l’utilisation de sels minéraux.

L’emploi de produits chimiques inorganiques nécessite que l’exploitant des installations de traitement des eaux trouve le juste équilibre et donc de toujours les doser avec précision. Un excès de produit chimique exigera probablement une correction du pH, tandis qu’une dose trop faible peut entraîner une durée de traitement supplémentaire pour atteindre la qualité d’eau souhaitée.

Les procédés de coagulation sont longs et, pour cette raison, peuvent s’avérer coûteux. Il est important pour les usines de traitement des eaux de les optimiser au moyen de technologies rentables. Les dispositifs de mesure tels que les détecteurs de courant d’écoulementmesurent la densité de charge nette des particules dans un échantillon d’eau. Ces appareils permettent d’améliorer et d’optimiser les procédés de coagulation en mesurant en temps réel leur déroulement.

D’autre part, la coagulation requiert une agitation rapide (flash mixing) pouvant être une réelle contrainte pour les agitateurs. Le flash mixing permet d’augmenter, lors de la coagulation, les collisions entre les réactifs et les particules colloïdales en suspension et nécessite une agitation très rapide sur une période de temps très courte, généralement moins d’une minute. C’est pourquoi il est important de choisir un moteur et une hélice adaptés afin d’obtenir les résultats souhaités.

Alors que la coagulation repose sur un processus essentiellement chimique, la floculation, consistant à agglomérer des particules, est principalement un processus physique. Après la coagulation, la floculation commence par l’agitation ou le mélange du fluide. Certaines des particules solides en suspension peuvent ainsi commencer à se lier entre elles et à s’agglomérer. Ce procédé est renforcé par l’ajout de floculants et l’utilisation d’agitateurs.

Après la neutralisation des charges des particules colloïdales, le mélange de l’eau à traiter permet à un plus grand nombre de ces particules de s’agglomérer. Ce procédé vise à transformer les agrégats de particules de manière à pouvoir les retirer de l’eau plus facilement.

Le fait de mélanger des floculants à l’eau à traiter permet aux particules colloïdales de se lier et de former des agrégats de plus en plus gros. Toute la difficulté du procédé réside en ce qu’il est nécessaire de remuer le fluide sans que les particules ne se détachent les unes des autres. Par conséquent, il est important de prendre en compte le cisaillement du mélange sur le liquide.