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
© Hubert Cabana, 2011
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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???
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© Hubert Cabana, 2011
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
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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
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Colloïdes Représente les particules ayant un diamètre variant entre
≈10-8 et ≈ 10-5 m Particule microscopiques et submicroscopiques Origines variées • • • •
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substances minérales / végétales virus biopolymères bactéries
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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
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Représentation
Solution Surface de cisaillement Particule électronégative Couche rigide
Colloïde
Adaptée de www.aquazet.com 12
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Potentiel électrostatique
13
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Reynolds T.D. et Richards, P.A., 1996.
Potentiel électrostatique
14
© Hubert Cabana, 2011
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
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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
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
© Hubert Cabana, 2011
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
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Actions des ions métalliques hydrolysés Adsorption par la particule ET neutralisation de
charges
Adsorption ET pontage interparticulaire Piégeage dans des flocs
20
© Hubert Cabana, 2011
Précipitation des solides dissouts Certains ions sont éliminés des eaux par
précipitation :
Carbonates (alcalinité); Fer; Calcium; Manganèse et Magnésium.
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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 )
© Hubert Cabana, 2011
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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.
© Hubert Cabana, 2011
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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.
© Hubert Cabana, 2011
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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
© Hubert Cabana, 2011
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
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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
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© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
Diapositive 29 PC1
Titre ? Pierre Cabana; 08/10/2007
Jar tests
30
Bratby, J., 2006
© Hubert Cabana, 2011
Impact du pH
31
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
32
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
Mélange rapide – Mélangeurs mécaniques
35
© Hubert Cabana, 2011
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.
© Hubert Cabana, 2011
36
AWWA, 1990 © Hubert Cabana, 2011
37
Types d’agitateurs utilisés
© Hubert Cabana, 2011
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.
© Hubert Cabana, 2011
40
Les mélangeurs à buse
© Hubert Cabana, 2011
AWWA, 1990
41
Mélangeur utilisant la force de pompage
© Hubert Cabana, 2011
AWWA, 1990
42
Les mélangeurs mécaniques en ligne
© Hubert Cabana, 2011
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.
© Hubert Cabana, 2011
45
Mélangeurs hydrauliques
© Hubert Cabana, 2011
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.
© Hubert Cabana, 2011
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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.
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
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).
© Hubert Cabana, 2011
52
Nombre de puissance
© Hubert Cabana, 2011
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).
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
59
http://www.hellopro.fr
La floculation © Hubert Cabana, 2011
60
Une fois que les particules sont déstabilisées? Le mouvement Brownien
Metcalf & Eddy inc., 2003.
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
© Hubert Cabana, 2011
Une fois que les particules sont déstabilisées? 2) Macrofloculation (ou orthocinétique) Processus d’agrégation des particules dont le diamètre est > 1-2 µm
62
© Hubert Cabana, 2011
Metcalf & Eddy inc., 2003.
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
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
Polyélectrolytes
65
© Hubert Cabana, 2011
Droste, R.L., (1997)
Action des polyélectrolytes
66
© Hubert Cabana, 2011
Metcalf & Eddy inc., 2003.
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
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
72
Floculateurs mécaniques
© Hubert Cabana, 2011
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.
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
76
Floculateurs mécaniques
© Hubert Cabana, 2011
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)
© Hubert Cabana, 2011
78
Puissance transmise lors de l’agitation – coefficients de trainées Ratio longueur : largeur
CD
5
1.2
20
1.5
infini
1.9
© Hubert Cabana, 2011
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)
© Hubert Cabana, 2011
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°))
© Hubert Cabana, 2011
83
Floculateurs hydrauliques G = 30-40 s-1; Typiquement, la distance entre les chicanes est >
0.75 m;
Profondeur minimale de 1 m.
© Hubert Cabana, 2011
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;
© Hubert Cabana, 2011
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;
© Hubert Cabana, 2011
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.
© Hubert Cabana, 2011
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
© Hubert Cabana, 2011
90