Traitements physicophysicochimiques des eauxUsées Cours présenté par Mr ZOUHRI
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L’assainissement des
eaux usées est une étape décisive pour préserver notre environn environnement. ement. C’est le
traitem trai temen entt de des eaux usées qui permet de maiint ma nteeni nirr la qu quaali lité té de no notr tree en envi virron onn nem emen entt et des nombreuses activités liées à l’eau comme le tourisme, la pisciculture, l’agriculture, l’industrie … des eaux usées à travers un réseau La co coll llec ecte te de d’assainissement est la première étape. Les eaux sont acheminées vers une usine de traitement des eaux usées (une station d’épuration) où elles sont dépolluées. sont dépolluées.
Une fois débarrassée des différents polluants, épurée va être rejetée dans le milieu l’eau ép naturel. Le rejet est contrôlé par des organismes publics. Il doit être conforme à la réglementation. Les boues que l’on ob obtient à l’issue du trai tr aite teme men nt vo von nt êt êtrre rec ecyc yclé lées es en ag agri ricu cult ltu ure comme engrais pour les terres cultivables, détruites par incinération ou mises en décharge.
Assainissement L'assainissement consiste à collecter et traiter (épuration) des eaux usées avant leur rejet dans les rivières ou et océans dans le sol. Afin d'assainir des eaux usées, on peut combiner des traitements Biologique et /ou Physico-chimique
EPURATION L'épuration des eaux est un ensemble de techniques qui consistent à purifier l‘eau soit pour recycler les eaux usées dans le milieu naturel, soit pour transformer les eaux naturelles en eau potable. Il existe deux techniques principales eaux, s'appliquant tant au traitement qu'à la production d'eau potable. physico-chimiques sont par ailleurs réservées à l'eau potable
d'épuration des des eaux usées Les techniques essentiellement
* Les traitements biologiques ont pour objectif de détruire les composés organiques contenus dans l'eau. On distingue 2 types de traitements : * Traitement aérobie * Traitement anaérobie L'aération est nécessaire pour apporter de l'oxygène à l'effluent à traiter.
La dégradation biologique à réaliser est caractérisée par l’intérêt de réduire la Demande Biologique en Oxygène DBO. Dans les systèmes aérobies, l'eau est aérée avec de l'air comprimé (dans certain cas avec de l’oxygène). Pour Les systèmes anaérobies fonctionnent en l'absence d'oxygène.
Les filières biologiques font appel aux microorganismes naturellement présents dans le milieu naturel pour dégrader la pollution. Elles imitent les propriétés d'épuration des sols (filtres exp, filtres à sable) ou des rivières (lagunage, boues activées). L'apport d'oxygène peut être naturel (le vent ou système de cascade) dans les petites installations de lagunage, ou artificiel (turbine ou diffusion de microbulles) dans les stations d'épuration de type "boues activées". Les bactéries peuvent être libres (boue activée, lagunage) ou fixées (lit bactérien, filtres plantés, filtres à sable, bio-filtre) ou encore biodisques.
Le lagunage est un procédé d'épuration naturelle qui a pour principe d'utiliser la végétation aquatique comme agent épurateur des eaux polluées. Les plantes aquatiques sont ici utilisées comme support aux colonies bactériennes, assurant l'épuration efficace de l'eau qui traverse lentement les colonies végétales installées.
Les éléments polluants comme le nitrate et le phosphore sont ainsi absorbés par les plantes pour restituer, en sortie de lagunage, une eau de bonne qualité. (déseutrophisation)
L'épuration par boues activées consiste à mettre en contact les eaux usées avec un mélange riche en bactéries par brassage (mélange) pour dégrader la matière organique en suspension ou dissoute. Il y a une aération importante pour permettre l‘activité des bactéries et la dégradation de ces matières, suivie d'une décantation à partir de laquelle on renvoie les boues riches en bactéries vers le bassin d'aération.
Techniquement on peut citer quatre principales utilisation spécifiques du procédé à boues activées: * Elimination de la pollution carbonée (matières organiques) * Elimination de la pollution azotée * Elimination biologique du Phosphore * Stabilisation des boues: procédé dit d'éaration prolongée" ou "digestion aérobie"
La DBO, Demande Biochimique en Oxygène, représente le besoin en oxygène d'une eau pour assurer la dégradation biochimique des matières organiques. Si la DBO est trop élevée, cela peut aboutir à une désoxygénation de l'eau.
La DCO, Demande Chimique en Oxygène, représente la quantité d’oxygène nécessaire à l'oxydation de l'ensemble des matières organiques et minérales contenues dans l'eau, par oxydoréduction. Ce paramètre est représentatif de la pollution organique et chimique.
* Les traitements physico-chimiques
ont pour objectif la séparation des particules solides, des huiles, des acides gras... lors du traitement des eaux usées ou résiduaires. Le traitement physico-chimique peut être défini comme l’ensemble des réactions chimiques visant à transformer les substances polluantes solubles dans l’eau, en précipités, en solides stables ou en substances qui ne gênent pas à la composition de l’eau.
Le traitement physico-chimique de l'eau est souvent une étape intermédiaire, suivie la plupart du temps par un traitement biologique Dans ce genre de traitement, les filières et les techniques suivantes peuvent être utilisées :
Les filières physico-chimiques Les filières physico-chimiques utilisent des moyens physiques (décantation, flottation, filtres et membranes) et/ou des produits chimiques, notamment des coagulants (Chlorure ferrique, Sulfate d'aluminium…) et des floculants. On les utilise pour certains effluents industriels (toxiques) ou lorsque l'on doit gérer des variations rapides des flux à traiter. Actuellement les technologies des membranes de microfiltration et nanofiltration sont encore réservées à la potabilisation de l'eau.
FILIÈRES DE TRAITEMENT PHYSICO- CHIMIQUE (eaux potables)
captage et tamisage.
Clarification
Désinfection
Décantation
Filtration
Déchloration
Ozonation
Post chloration
Techniques de traitement physico-chimiques - Filtration - Coagulation et floculation -Flottation - Centrifugation -Précipitation - Décantation - Oxydation - Désinfection - Neutralisation - Electrolyse
Traitement des eaux usées
1-Définitions : *Les eaux usées sont les eaux arrivant dans les canalisations d’eaux usées dont les propriétés naturelles sont transformées par les utilisations domestiques, industrielles, par les entreprises, l’usage agricole et autres. Les eaux de pluie s’écoulant dans les canalisations sont aussi introduites dans cette catégorie * Les eaux usées sont toutes les eaux qui ont un risque à contaminer les milieux dans lesquelles elles seront déversées.
2. Origine et composition des eaux usées : Suivant l’origine des polluants on distingue 4 catégories d’eaux usées :
2.1.Les eaux usées domestiques : * Proviennent de différents usages domestiques essentiellement chargées de pollution organique. * Se divisent en eaux ménagères, qui ont pour origine : - Les salles de bains et les cuisines, généralement chargées de détergents, de graisses, de solvants, de débris organiques, etc. - Eaux de vannes ; il s'agit des rejets des toilettes, chargés de diverses matières organiques azotées et de germes fécaux.
2.2.Les eaux usées industrielles (effluents , rejets liquides) : Sont très différentes des eaux usées domestiques. Leurs caractéristiques varient selon l’industrie. En plus de matières organiques, azotées phosphorées, elles peuvent également contenir : •
•
ou
• Des graisses (industries agroalimentaires); • Des hydrocarbures (raffineries); • Des
métaux (traitements de surface, métallurgie, hydrométallurgie… ); • Des
acides, des bases et produits chimiques divers (industries chimiques divers, tanneries);
De l’eau chaude (circuit de refroidissement des centrales thermiques); •
• Des
matières radioactives (centrales nucléaires, traitement des déchets radioactifs). Dans certains cas, avant d'être rejetées dans les réseaux de collecte, les eaux industrielles doivent faire l'objet d'un prétraitement de la part des industriels.
2.3.Les eaux usées agricoles : L’agriculture est une source de pollution des eaux, elle
apporte les engrais et les pesticides. Elle est la cause essentielle des pollutions diffuses. Les épandages d’engrais nitratés et phosphatés sous une forme ou en quantité qui ne seraient pas retenus par le sol et assimilés par les plantes conduisent à un enrichissement en matières azotées ou phosphatées des nappes les plus superficielles et des eaux des cours d’eau ou des retenues.
2.4.Les eaux pluviales : Elles peuvent, elles aussi, constituer une source de pollutions importantes des cours d'eau, notamment pendant les périodes orageuses. L'eau de pluie se charge d'impuretés au contact de l'air (fumées industrielles), puis, en ruisselant, des résidus déposés sur les toits et les chaussées des villes (huiles de vidange, carburants, résidus de pneus et métaux lourds...) Dans les zones urbaines, les surfaces construites rendent les sols imperméables et ajoutent le risque d'inondation à celui de la pollution.
Dont le but de respecter les différents milieux récepteurs, des traitements sont réalisés sur ces effluents. Ces traitements peuvent être réalisés de manière collective dans une station d’épuration ou de manière individuelle. Toutes les stations d'épuration fonctionnent selon les mêmes processus de base, mais des différences plus ou moins importantes peuvent exister dans la manière de mettre en place ces processus. Le traitement se divise généralement en plusieurs étapes:
Les filières physico-chimiques Les filières physico-chimiques utilisent des moyens physiques (décantation, flottation, filtres et membranes…) et/ou des produits chimiques, notamment des coagulants (Chlorure ferrique, Sulfate d'aluminium…) et des floculants.
Schéma d'une station d'épuration
Quel que soit le procédé de traitement utilisé, un prétraitement s'avère toujours indispensable toujours indispensable.. Ces prétraitements constituent une première étape pour un traitement ultérieur (biologique ou physico – chimique) efficace.
Prétraitements physiques - Tamisage
- Séparation de graisses par flottation -Traitement biologique des graisses - Régulation de débit - neutralisation -refroidissement
I- Prétraitement Le prétraitement consiste en trois étapes principales qui permettent de supprimer de l'eau les éléments qui gêneront les phases suivantes de traitement. - Dégrillage - Dessablage - Déshuilage Toutes les stations d'épuration ne sont pas forcément équipées des trois étapes, seul le dégrillage est généralisé.
Les techniques de prétraitements : Le dégrillage : consiste à faire passer les eaux usées au travers d'une grille (il en existe plusieurs types) dont les barreaux plus ou moins espacées, retiennent les éléments les plus grossiers. Le tamisage utilisant des grilles de plus faible espacement peut compléter ce prétraitement. Le dessablage : consiste à faire passer l'eau dans des bassins où se déposent les sables et les particules minérales plus ou moins fines, de façon à éviter les dépôts dans les conduites et à protéger les pompes. Le déshuilage – Dégraissage : consiste à extraire des eaux usées, les graisses et les huiles.
I-1 Dégrillage Le dégrillage permet de retirer de l'eau les gros déchets tels que les branches, les bouteilles en plastiques … Pour réaliser cette opération, l'effluent passe à travers une ou plusieurs grilles dont les mailles sont de plus en plus serrées. Les grilles sont en général équipées de systèmes automatiques de nettoyage pour éviter leur colmatage. Le dégrilleur : destiné à retenir les matières volumineuses et déchets de toutes sortes contenus dans les eaux usées. Il est situé généralement en amont d'une filière de traitement des eaux usées .
I-2 Dessablage Le dessablage permet par décantation de retirer les sables des eaux de ruissellement ( phénomène d'écoulement des eaux à la surface des sols) ou amené par l’érosion des canalisations. Ce matériau s'il n'était pas enlevé pourrait se déposer plus loin et gêner le fonctionnement de la station, ou provoquer une usure des éléments mécaniques comme les pompes. Les sables extraits peuvent être lavés avant d'être mis en décharge afin d'éviter que le pourcentage de matières organiques ne soit trop élevé, sa dégradation lente provoque des odeurs.
Dessablage : les matières minérales grossières en suspension dans l’eau (sables, gravillons, etc.) sont piégées dans un ouvrage par décantation de celles-ci. Elles sont ensuite récupérées par un râteau mécanique qui pousse les particules dans un container d’évacuation. Le sable récupéré peut être utilisé pour divers travaux de construction.
I-3 Déshuilage Cette opération se fait par écumage des graisses. La flottation des huiles permet leur suppression de l'effluent par simple écumage. Il est important de limiter au maximum la quantité de graisse dans les ouvrages en aval pour éviter par exemple des difficultés de décantation ou des perturbation des échanges gazeux, de l'oxygénation en particulier. Le dessablage et le déshuilage se réalisent le plus souvent dans un même ouvrage. Les sables décantent au fond de celui-ci tandis que les graisses remontent en surface.
II - Traitement primaire En épuration des eaux usées le traitement primaire est une simple décantation qui permet de supprimer la majeure partie des matières en suspension. Ce sont ces matières qui sont responsables du trouble des eaux usées. L'opération est réalisée dans des bassins de décantation dont la taille dépend du type d'installation et du volume d'eau à traiter. De la même manière, le temps de séjour des effluents dans ce bassin dépend de la quantité de matière à éliminer et de la capacité de l'installation à les éliminer.
La décantation On fait rassemblé les différentes petites particules en de beaucoup plus grosse puis on fait décanter tout ceci. Dans un système d'eau stagnante les particules en suspension plus lourdes que l'eau sont soumises à leur poids apparent (poids réel moins poussée d'Archimède). Elles chutent lentement pour s'accumuler sur le fond : c'est la décantation. Leur vitesse de chute obéit à la loi de Stokes :
La décantabilité des matières dans un bassin est déterminée par l’indice de Mohlman. est déterminé chaque jour dans les stations d'épuration importantes afin de vérifier le bon fonctionnement du système. L’indice
la décantation permis de supprimer environ 60% des MES, environ 30% de la DBO et 30% de la DCO. Cette part de DBO supprimée était induite par les matières en suspension. Une charge organique est restée dans le milieu . Les matières supprimées forment au fond du décanteur un lit de boues appelé boues primaires.
Indice de MOHLMAN C’est l’indice de
décantation des boues. Cet indice définit (en ml) le volume de boue activée décanté en 1/2 heure par rapport à la masse de résidu sec de cette boue (en g de matières) L'indice caractérise la facilité à la décantation des boues biologiques. L'indice est égal au rapport entre volume et poids de boues : IB =(V/M) avec : V = Volume de boues après 30 min de décantation (ml) M = MES présentes dans ce volume (g)
Une suspension se compose : D'un liquide dans lequel les particules baignent masse volumique r1 et viscosité µ •
:
De particules solides en suspension : masse volumique r2 et de diamètre apparent (on assimile la particule à une sphère) D. Ces particules sont donc soumises à une force Fr résultante, dépend Du poids : P = m.g = V.r2.g
•
Force d'Archimède : Fa = V.r 1.g
•
avec V le volume d'une particule: Fr = V(r 2-r1)*g.
Les particules se mettent en mouvement (elles subissent une accélération). À mesure que la vitesse augmente, une nouvelle force appelée «traînée» et notée F f apparaît. Elle s'oppose au mouvement. Lorsque Fr + Ff = 0, la vitesse se stabilise : c'est la vitesse de sédimentation Vs. La loi de Stokes donne cette vitesse Vs et soit : D le diamètre apparent de la particule en décantation, 3 (son volume V est 1/6 D ) •
•
•
µ : viscosité du fluide g : accélération de la pesanteur
Vs = 2 /9 . [( r1 - r2 ).g *D² ] / µ Le terme : 2 /9 . [( r1 - r2 ). g ] / µ est constant: c'est la constante de Stokes notée C. La formule peut donc plus simplement s'écrire Vs = C . D² La loi de Stokes est valide pour des particules sphériques dont la taille n'excède pas 0,1 mm. En première approximation, elle est appliquée à toute particule sédimentaire de petite taille (sable fin, limon, argile).
III - Coagulation – Floculation
principalement les particules très petites, dites particules colloïdales qui peuvent rester en suspension dans l'eau durant de très longues périodes, peuvent même traverser un filtre très fin. Par ailleurs, du fait de leur grande stabilité, elles n'ont pas tendance à s'accrocher les unes aux autres.
Les colloïdes sont des particules de très faible diamètre notamment responsables de la couleur et de la turbidité de l'eau de surface. Caractéristiques et origines des colloïdes: Les colloïdes présentent colloïdes présentent un diamètre compris entre 1 µm à 1 nm. Les colloïdes présentent présentent des des pr proprié opriétés tés d'adsorption des ions présents dans l'eau. Ceci explique la présence de charges électroniques à leur surface, Less co Le coll lloï oïde dess so sont si stables lors de leur mise en soluti sol ution on à cause cause de charges charges qui qui engendr engendrant ant des force forcess de répulsions intercolloïdales. •
•
•
Origine des colloïdes Les espèces colloïdales qu'on rencontre dans une eau brute ou une eau résiduaire comprennent de l'argile, de la silice, du fer et autres métaux lourds et des solides organiques tels que des détritus d'organismes morts. Elles ont une taille inférieure à 1 micron. D'après la loi de Stokes en régime laminaire, leur vitesse de décantation est très faible :
En régi régime me lamina laminair iree la vitess vitessee de décan décantat tation ion de la particule est V0 V0 = g/18µ(r2-r1)d² µ: viscosité dynamique r2, rl : masses volumiques de la particule et du fluide d : diamètre de la particule
Type
Diamètre des particules (micromètre)
Temps de décantation
Gravier Sables grossiers Sables fins Argile Bactéries Colloïdes
10 000 1 000 100 10 1 0,1 à 0,001
1s 10 s 2 min 2h 8j 2 à 200 ans
Diamètre du colloïde en mm
En micron
Temps de décantation pour 1 m d'eau à 20°C
10-4 10-5 10-6
0,1 0,01 0,001
2 ans 20 ans 200 ans
Les colloïdes sont donc des particules impossibles à décanter naturellement. Même si l'on a affaire à des particules pas franchement colloïdales.
En raison de leur très faible vitesse de sédimentation la seule solution pour éliminer les colloïdes est de procéder à une
Coagulation-Floculation.
La coagulation a pour but principal de déstabiliser les particules en suspension, en éliminant la charge électrostatique de manière à ensuite favoriser leur rencontre. c'est-à-dire de faciliter leur agglomération. En pratique, ce procédé est caractérisé par l'injection et la dispersion de produits chimiques.
La floculation a pour but de favoriser, à l'aide d'un mélange lent, les contacts entre les particules déstabilisées. Ces particules s'agglutinent ( s'agglomèrent) pour former un floc qu'on pourra facilement éliminer par décantation.
colloïdes sont généralement chargés négativement et se Dans
l'eau
brute, les
repoussent mutuellement. Afin de neutraliser cette charge superficielle négative, on ajoute des cations qui forment une couche autour du colloïde favorisant le rapprochement des particules. C'est la coagulation.
Réactifs utilisés : donneurs de cations Les principaux coagulants utilisés pour déstabiliser les particules et produire des flocs sont : •
•
•
•
•
le sulfate d'aluminium Al2(SO4)3,18 H2O le chlorure ferrique
FeCl3, 6 H2O
le sulfate ferrique
Fe2(SO4)3, 9 H2O
le sulfate ferreux
FeSO4, 7 H2O.
l'aluminate de sodium NaAlO2
Structure des colloïdes Distribution ionique autour d'une particule colloïdale
Dans une eau de surface, les colloïdes portent des charges négatives situées à leur surface. Ces charges négatives attirent les ions positifs en solution dans l'eau. Ceux-ci sont étroitement collés au colloïde et forment la couche liée ou de STERN, qui attire à son tour des anions accompagnés d'une faible quantité des cations : c'est la couche diffuse ou de GOUY.
Il y a donc formation d'une double couche ionique, l'une accompagnant la particule lors de ces déplacements, l'autre se déplaçant indépendamment ou avec un certain retard.
Distribution ionique autour d'une particule colloïdale
Au centre : l'ion colloïdal.
A l'extérieur : les ions libres de charge électrique
équivalente et de signe contraire à celle de l'ion colloïdal et formant deux couches : Ions de parois (couche de Stern) indissolubles de l'ion colloïdal qui présentent une charge toujours inférieure à celle de l'ion colloïdal (le niveau énergétique à cette distance est caractérisé par le potentiel Zêta), •
Ions complémentaires (couche de Gouy) formant une couche diffuse à une plus grande distance de l'ion colloïdal, en équilibre avec le solvant, présentant un appauvrissement progressif en ions de signe contraire à celui de l'ion colloïdal, accompagné d'un enrichissement correspondant en ions de l'autre signe. •
Pour annuler le potentiel zêta, on peut : Ajuster le pH pour atteindre le point de charge nulle des particules colloïdales •
Augmenter la salinité pour comprimer la couche diffuse •
Neutraliser la charge de surface par des cations polyvalents •
Piéger les colloïdes dans des précipités
•
Adsorber les colloïdes sur des polymères chargés à longue chaîne. •
La valeur du potentiel à la surface de la couche de NERNST est appelé potentiel zêta. Les colloïdes étant chargés négativement, ce potentiel est négatif. C'est pourquoi, les colloïdes sont très stables et inhibent ( empêchent) toute agglomération. Dans les eaux naturelles, sa valeur varie de -30 à -35 mV. Les particules de potentiel zêta négatif se repoussent très fortement.
Il existe entre ces deux couches un potentiel électrostatique (ou de NERNST) , qui varie en fonction de la distance par rapport à la surface du colloïde. Dans la couche liée, le potentiel de NERNST décroît linéairement car les cations constitutifs sont empilés uniformément. En revanche, dans la couche de GOUY, le potentiel électrostatique varie de manière non linéaire, étant donné que la répartition ionique résulte d'un mélange aléatoire de cations et d'anions.
* Le potentiel zêta mesure l'importance de la répulsion ou de l'attraction entre les particules. * Il donne une description détaillée du mécanisme de la dispersion et constitue un élément essentiel dans le contrôle de la dispersion électrostatique. * La mesure du potentiel zêta est un paramètre extrêmement important dans un grand nombre de secteurs, notamment, les céramiques, la pharmacie, la médecine, le traitement des minéraux et le traitement des eaux ainsi que les boissons en général.
La coagulation - floculation est un traitement physico-chimique qui, par addition d'un réactif ou par application d'un champ électrique dans
le
mélange
à
traiter,
déstabilise les matières fines en suspension en diminuant les forces de
répulsion
électrostatique.
Système Jar-test
Principe du Jar-test L'expérience se déroule selon trois phases successives : - Coagulation : période courte pendant laquelle une vitesse élevée est imposée afin que les colloïdes chargés négativement soient déstabilisés par l'ajout de coagulant. - Floculation : période plus longue avec une vitesse modérée pour que les particules déstabilisée s'agglomèrent et forment des flocs. - Décantation : période plus ou moins longue sans agitation où les particules floculées s'agglomèrent pour former des flocs plus lourds décantables. La turbidité du surnageant est mesurée au cours du temps par néphélométrie.
Coagulation - floculation - décantation
C'est l'une des deux chaînes qui, après les prétraitements indispensables, utilisent des adjuvants chimiques pour éliminer les matières en suspension et assurer par là une réduction de la charge polluante. Elle comporte une phase de coagulation (agglomération des colloïdes), une phase de floculation (formation de floc par l'union de solides élémentaires) et une phase de décantation pour assurer la séparation entre solide et liquide.
La floculation, étape indispensable dans le processus de clarification de l'eau, consiste en deux phénomènes de transport successifs :
la floculation péricinétique.
•
N'intervenant que sur les particules colloïdales, elle favorise la formation du microfloc. Elle est liée à la diffusion brownienne, c'est-à-dire à l'agitation thermique. Le mouvement brownien correspond au déplacement désordonné des colloïdes par le bombardement de chaque molécule d'eau.
La floculation orthocinétique.
•
Elle permet d'obtenir le floc volumineux séparable. Elle est liée à l'énergie dissipée. La vitesse d'agitation agit sur la probabilité de rencontre des particules. Mais, il n'est pas possible de l'augmenter exagérément. En effet, si elle est trop élevée, les flocs formés subissent un cisaillement mécanique entraînant leur destruction et ils se reforment rarement euxmêmes. La floculation est donc favorisée par une vitesse d'agitation assez faible qui amène doucement les flocs à se réunir.
IV Précipitation des sels : A- Elimination des cations A-1 Décarbonatation à la chaux Elimination de la dureté carbonaté ( Ca et Mg )
La décarbonatation à la chaux est le procédé de précipitation le plus utilisé pour éliminer la dureté bicarbonatée (temporaire) liée au Ca et au Mg, c'est-à-dire la présence dans l'eau de Ca(HCO3)2 et de Mg(HCO3)2, en ajoutant de la chaux hydratée à l'eau qui précipite CaCO 3 , Mg(OH)2 ou les deux à la fois. Les réactions chimiques de base sont les suivantes :
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 ==> 2 CaCO3 + 2 H2O Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 ==> MgCO3 + CaCO3 + 2 H2O
Mais le MgCO3 relativement soluble (≈ 70 mg/l). Un excès de chaux le transforme en hydroxyde de Mg selon la réaction : Ca(OH)2 + MgCO3 ==> CaCO3 + Mg(OH)2
On peut noter que la présence de colloïdes organiques étant susceptibles de gêner la précipitation On ajoute donc aux eaux brutes à décarbonater des réactifs coagulants pour coprécipiter les colloïdes. Pourtant, ceci n'est valable que si les surfaces des cristaux de CaCO3 restent suffisamment propres.
A-2 Précipitation par des carbonates sodium : Elimination de la dureté non carbonatée ou permanente Pour éliminer la dureté non carbonatée liée à la présence de Ca et Mg correspondant à des anions forts (SO 42- , Cl-…) C’est
Pour cette raison on utilise le Na2CO3 à froid.
Elle se fait suivant les réactions : CaSO4 + Na2CO3 ==> Na2SO4 + CaCO3 CaCl2 + Na2CO3 ==> 2 NaCl + CaCO 3
A-3 Précipitation par la soude caustique Ce traitement permet d'éliminer les deux types de dureté (temporaire et permanente). La première réaction (réaction de base) consiste en un ajout de soude pour réagir avec Ca(HCO 3)2 :
Ca(HCO3)2 + 2 NaOH ==> CaCO3 + Na2CO3 + 2 H2O La précipitation CaCO 3 s'accompagne de la formation de Na2CO3 qui réagira sur la dureté permanente suivant les réactions du paragraphe précédent.
Précipitation des sels : B- Elimination des anions B-1 précipitation des sulfates La précipitation des sulfates peut être imposée avant rejet en égout car ils altèrent le béton. Ils doivent aussi être souvent éliminés de saumures ou d'eaux avant distillation. Le procédé le plus utilisé en cas de fortes teneurs en SO42-consiste en la précipitation du gypse CaSO 4,2H2O, à froid, par l'addition de Ca 2+ sous forme de chaux (pour les eaux acides) ou de CaCl 2 (pour les saumures) : SO42- + Ca2+ +2 H2O ==> CaSO4, 2H2O
B-2 Elimination des phosphates Les phosphates présents dans les eaux ont pour origine: - des effluents d'usine d'engrais phosphatés (H 3PO4), - des eaux usées domestiques, - des circuits de refroidissement (sous forme de polyphosphates). Il existe deux modes de précipitation : 1- précipitation par la chaux pour les effluents peu acides ou basiques. On a alors deux réactions suivant l'acidité initiale :
2 H3PO4 + Ca(OH)2 ==> Ca(HPO4)2 +2 H2O à pH = 6 à 7 2 Ca(HPO4)2 + Ca(OH)2 ==> Ca3(PO4)2 + 2 H2O à pH = 9 à 12
2- précipitation par Al3+ ou Fe3+ pour des eaux acides. AlPO4 et FePO4 sont des sels très peu solubles mais qui précipitent à l'état colloïdal. Le précipité est éliminé par adsorption sur un excès d'hydroxyde métallique.
B-3 Elimination des fluorures L’élimination des
F- par précipitation concerne des effluents acides de lavage de gaz d'incinération, de métallurgie de l‘Al de l'industrie de l'acide phosphorique et du verre. On utilise la chaux comme agent de neutralisation et quelquefois du CaCl 2 pour compléter si l'on obtient de faibles valeurs résiduelles de F -. La réaction chimique est la suivante : 2 F- + Ca2+ ==> CaF2
Le précipité CaF2 présente des cinétiques intermédiaires entre celles de CaCO 3 et du gypse. La solubilité de CaF 2 dépend du pH pour une salinité donnée.
V- La Flottation La flottation est un procédé de séparation liquideliquide ou solide-liquide s'appliquant à des particules dont la masse volumique est inférieure à celle du liquide qui les contient. On peut citer différents types de flottation :
1- Flottation naturelle : C’est phénomène naturelle. une simple différence de masse volumique est suffisante pour la séparation (cas de déshuilage) :
2- Flottation assistée : Dans ce cas on insuffle des bulles d'air au sein de la masse liquide pour améliorer la séparation des particules naturellement flottables. Ce procédé concerne en particulier la séparation des graisses (particules solides) d'eaux résiduaires. Pour un dégraissage simple , l'air est insufflé par des diffuseur à bulles moyennes (2 à 4 mm de diamètre) qui provoquent une turbulence séparant les particules lourdes agglomérées avec les graisses. •
Pour un dégraissage avancé, on utilise des fines bulles (0,5 à 1 mm de diamètre) produites par un système d’aération immergé. •
Il y a 2 types de flottation assistée suivant la taille des bulles de gaz:
a- La flottation mécanique : elle utilise de l'air dispersée avec production de bulles de 0,2 à 2 mm de diamètre Ce procédé s'applique pour la séparation et la concentration des pulpes de minerais . Il s'agit de minerai broyé, de taille souvent inférieure à 0,2 mm, qui est mis en suspension avec des bulles d'air de 0,2 à 2 mm de diamètre. Il utilise un grand nombre de cellules en série et demande beaucoup d'énergie. Ce procédé s'applique pour dans le cas d'eaux huileuses , la séparation par flottation mécanique s'appelle MOUSSAGE. Elle est obtenue avec l'addition de coagulant organique ou d'agent désémulsifiant.
b- La Flottation à l’Air Dissous (FAD) : la FAD est généralement utilisée pour la séparation des flocs. Elle utilise des bulles d'air très fines ("microbulles") de 40 à 70 microns de diamètre. Ce procédé à des divers Domaines d'applications * séparation de matières floculées en clarification d'eau de surface. * séparation et récupération des fibres des eaux de papeterie * séparation d'huiles floculées sur des eaux résiduaires de raffinerie, ou de métallurgie. * séparation d'hydroxydes métalliques ou de pigments en traitement d'eaux résiduaires industrielles. * épaississement et clarification des boues.
3- Flottation provoquée : Dans ce cas la masse volumique de la particule est , au départ, supérieure à celle du liquide. On l’a réduit artificiellement grâce à des bulles de gaz (l'air en général). En effet certaines particules solides ou liquides peuvent s'unir à des bulles pour former des attelages " particule-bulle " moins dense que le liquide. La qualité de la flottation provoquée dépend surtout des interactions physico-chimiques entre les trois phases solide, liquide, gaz.
Prétraitements physico-chimique - Coagulation - Floculation - Séparation de phases par clarificateur ou filtration membranaire.
V La filtration La filtration est un procédé destiné à clarifier un liquide qui contient des MES (Matière en suspension) en les faisant passer à travers un milieu poreux constitué d'un matériau granulaire.
la filtration est une technique de séparation qui permet de séparer les MES d’un liquide hétérogène et d'obtenir ainsi un liquide
le spectre de la filtration:
