Études de cas pratique

EGC

Traitement de l’eau par coagulation-floculation

Traitement de l’eau par Coagulation-Floculation en Eau Potable

Traitement de l’Eau par Coagulation-Floculation en Eau Potable

Comprendre la Coagulation-Floculation

La coagulation-floculation est une étape essentielle dans le traitement des eaux de surface destinées à la production d'eau potable. Les eaux brutes contiennent souvent des particules colloïdales et des matières en suspension très fines qui sont responsables de la turbidité et peuvent abriter des micro-organismes. Ces particules sont généralement chargées négativement et se repoussent, ce qui les maintient en suspension stable. La coagulation consiste à déstabiliser ces particules par l'ajout d'un produit chimique (coagulant), typiquement un sel métallique comme le sulfate d'alumine ou le chlorure ferrique. Le coagulant neutralise les charges des particules. La floculation, qui suit la coagulation, est un processus d'agitation lente qui favorise l'agglomération des particules déstabilisées en micro-flocs, puis en flocs plus volumineux et plus denses. Ces flocs peuvent ensuite être éliminés plus facilement par décantation et/ou filtration.

Données de l'étude

Une usine de traitement d'eau potable traite un débit moyen journalier d'eau de rivière.

Caractéristiques de l'eau brute et du traitement :

  • Débit moyen journalier à traiter (\(Q_{\text{jour}}\)) : \(12000 \, \text{m}^3/\text{jour}\)
  • Coagulant utilisé : Sulfate d'alumine (Al\(_2\)(SO\(_4\))\(_3 \cdot 14\)H\(_2\)O) sous forme commerciale liquide.
  • Concentration de la solution commerciale de sulfate d'alumine : \(8\%\) en Al\(_2\)O\(_3\) (soit 80 g d'Al\(_2\)O\(_3\) par kg de solution commerciale). Masse molaire de Al\(_2\)O\(_3\) \(\approx 102 \, \text{g/mol}\). Masse molaire du sulfate d'alumine hydraté (forme commerciale) \(\approx 594 \, \text{g/mol}\).
  • Dosage optimal de coagulant (exprimé en Al\(_2\)O\(_3\)) : \(5 \, \text{mg d'Al}_2\text{O}_3/\text{L d'eau brute}\) (soit \(5 \, \text{g/m}^3\)).
  • Matières en Suspension (MES) dans l'eau brute : \(30 \, \text{mg/L}\).
  • Rendement d'élimination des MES par la filière coagulation-floculation-décantation : \(90\%\).
  • On suppose que la totalité du coagulant dosé précipite sous forme d'hydroxyde d'aluminium Al(OH)\(_3\) et contribue à la masse des boues. Masse molaire de Al(OH)\(_3 \approx 78 \, \text{g/mol}\).

Hypothèses :

  • Les dosages et rendements sont constants.
  • Les réactions chimiques sont complètes.

Schéma : Filière de Coagulation-Floculation-Décantation
{/* */} Eau Brute {/* */} Coagulation (Mélange Rapide) {/* Agitateur */} Coagulant {/* */} Floculation (Mélange Lent) {/* */} Décantation {/* Fond conique pour boues */} Boues {/* */} Eau Décantée Processus de Coagulation-Floculation-Décantation

Schéma simplifié d'une filière de traitement d'eau par coagulation, floculation et décantation.

Questions à traiter

  1. Calculer la masse totale d'Al\(_2\)O\(_3\) pur nécessaire par jour.
  2. Calculer la masse de solution commerciale de sulfate d'alumine à \(8\%\) en Al\(_2\)O\(_3\) nécessaire par jour.
  3. Calculer la masse de Matières en Suspension (MES) éliminées par jour.
  4. Calculer la masse de boues sèches produites par jour, en considérant qu'elles sont constituées des MES éliminées et de l'hydroxyde d'aluminium Al(OH)\(_3\) formé. (Indice : calculer d'abord la masse d'Al(OH)\(_3\) produite à partir de la masse d'Al\(_2\)O\(_3\) dosée).
  5. Si le pH optimal pour la coagulation avec le sulfate d'alumine est de 6.5 et que l'eau brute a un pH de 7.8, quel type de réactif (acide ou base) faudrait-il potentiellement ajouter et pourquoi ? (Réponse qualitative).

Correction : Traitement de l’Eau par Coagulation-Floculation

Question 1 : Masse Totale d'Al\(_2\)O\(_3\) Pur Nécessaire par Jour

Principe :

La masse totale d'Al\(_2\)O\(_3\) pur nécessaire est le produit du débit journalier d'eau à traiter par le dosage optimal de coagulant (exprimé en masse d'Al\(_2\)O\(_3\) par volume d'eau).

Formule(s) utilisée(s) :
\[M_{\text{Al}_2\text{O}_3} = Q_{\text{jour}} \times \text{Dosage}_{\text{Al}_2\text{O}_3}\]
Données spécifiques (avec conversion d'unités si nécessaire) :
  • Débit journalier (\(Q_{\text{jour}}\)) : \(12000 \, \text{m}^3/\text{jour}\)
  • Dosage optimal (\(\text{Dosage}_{\text{Al}_2\text{O}_3}\)) : \(5 \, \text{g/m}^3 = 0.005 \, \text{kg/m}^3\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} M_{\text{Al}_2\text{O}_3} &= 12000 \, \text{m}^3/\text{jour} \times 0.005 \, \text{kg/m}^3 \\ &= 60 \, \text{kg/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La masse totale d'Al\(_2\)O\(_3\) pur nécessaire par jour est de \(60 \, \text{kg}\).

Question 2 : Masse de Solution Commerciale de Sulfate d'Alumine Nécessaire par Jour

Principe :

La solution commerciale contient \(8\%\) d'Al\(_2\)O\(_3\) en masse. Donc, pour obtenir une certaine masse d'Al\(_2\)O\(_3\) pur, il faut une masse plus importante de solution commerciale.

Formule(s) utilisée(s) :
\[M_{\text{solution}} = \frac{M_{\text{Al}_2\text{O}_3}}{\text{Concentration en Al}_2\text{O}_3 \text{ de la solution}}\]
Données spécifiques :
  • Masse d'Al\(_2\)O\(_3\) pur nécessaire (\(M_{\text{Al}_2\text{O}_3}\)) : \(60 \, \text{kg/jour}\)
  • Concentration de la solution : \(8\% = 0.08\) (en masse d'Al\(_2\)O\(_3\) / masse de solution)
Calcul :
\[ \begin{aligned} M_{\text{solution}} &= \frac{60 \, \text{kg/jour}}{0.08} \\ &= 750 \, \text{kg/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La masse de solution commerciale de sulfate d'alumine nécessaire par jour est de \(750 \, \text{kg}\).

Question 3 : Masse de Matières en Suspension (MES) Éliminées par Jour

Principe :

La masse de MES éliminées est le produit du débit journalier, de la concentration initiale en MES et du rendement d'élimination.

Formule(s) utilisée(s) :
\[M_{\text{MES_eliminees}} = Q_{\text{jour}} \times C_{\text{MES_brute}} \times \text{Rendement}\]
Données spécifiques (avec conversion d'unités si nécessaire) :
  • Débit journalier (\(Q_{\text{jour}}\)) : \(12000 \, \text{m}^3/\text{jour}\)
  • Concentration MES brute (\(C_{\text{MES_brute}}\)) : \(30 \, \text{mg/L} = 30 \, \text{g/m}^3 = 0.030 \, \text{kg/m}^3\)
  • Rendement d'élimination : \(90\% = 0.90\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} M_{\text{MES_eliminees}} &= 12000 \, \text{m}^3/\text{jour} \times 0.030 \, \text{kg/m}^3 \times 0.90 \\ &= 360 \, \text{kg/jour} \times 0.90 \\ &= 324 \, \text{kg/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La masse de MES éliminées par jour est de \(324 \, \text{kg}\).

Quiz Intermédiaire 1 : La coagulation vise principalement à :

Question 4 : Masse de Boues Sèches Produites par Jour

Principe :

Les boues sèches sont constituées des MES éliminées et de l'hydroxyde d'aluminium formé par la précipitation du coagulant. Il faut d'abord calculer la masse d'Al(OH)\(_3\) produite.

La réaction (simplifiée) de l'Al\(_2\)O\(_3\) (contenu dans le sulfate d'alumine après hydrolyse) avec l'eau pour former l'hydroxyde peut être vue comme : Al\(_2\)O\(_3\) + 3H\(_2\)O \(\rightarrow\) 2Al(OH)\(_3\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[M_{\text{Al(OH)}_3} = M_{\text{Al}_2\text{O}_3} \times \frac{2 \times \text{Masse molaire Al(OH)}_3}{\text{Masse molaire Al}_2\text{O}_3}\]
\[M_{\text{Boues_seches}} = M_{\text{MES_eliminees}} + M_{\text{Al(OH)}_3}\]
Données spécifiques :
  • \(M_{\text{Al}_2\text{O}_3} = 60 \, \text{kg/jour}\)
  • Masse molaire Al\(_2\)O\(_3 \approx 102 \, \text{g/mol}\)
  • Masse molaire Al(OH)\(_3 \approx 78 \, \text{g/mol}\)
  • \(M_{\text{MES_eliminees}} = 324 \, \text{kg/jour}\)
Calcul de la masse d'Al(OH)\(_3\) :
\[ \begin{aligned} M_{\text{Al(OH)}_3} &= 60 \, \text{kg/jour} \times \frac{2 \times 78 \, \text{g/mol}}{102 \, \text{g/mol}} \\ &= 60 \, \text{kg/jour} \times \frac{156}{102} \\ &\approx 60 \, \text{kg/jour} \times 1.5294 \\ &\approx 91.76 \, \text{kg/jour} \end{aligned} \]
Calcul de la masse totale de boues sèches :
\[ \begin{aligned} M_{\text{Boues_seches}} &= 324 \, \text{kg/jour} + 91.76 \, \text{kg/jour} \\ &= 415.76 \, \text{kg/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : La masse de boues sèches produites par jour est d'environ \(415.76 \, \text{kg}\).

Question 5 : Rôle de l'Ajustement du pH

Principe :

La coagulation à l'aide de sels métalliques (comme le sulfate d'alumine) est très sensible au pH de l'eau. Il existe une plage de pH optimale pour laquelle la formation des flocs d'hydroxyde métallique est la plus efficace.

Analyse qualitative :

Le sulfate d'alumine, en s'hydrolysant, consomme de l'alcalinité et tend à faire baisser le pH de l'eau. La plage de pH optimale pour la coagulation avec les sels d'aluminium se situe généralement entre 6.0 et 7.5, bien que cela puisse varier en fonction de la qualité de l'eau brute (température, alcalinité, nature des colloïdes).

Dans cet exercice, le pH optimal est donné à 6.5, et l'eau brute a un pH de 7.8. Pour atteindre le pH optimal de 6.5, il faudrait donc abaisser le pH de l'eau brute. Cela se fait typiquement par l'ajout d'un acide (par exemple, acide sulfurique H\(_2\)SO\(_4\)).

Si, au contraire, l'eau brute était trop acide, ou si l'ajout du coagulant faisait chuter le pH en dessous de la plage optimale, il faudrait ajouter une base (comme la chaux Ca(OH)\(_2\) ou la soude NaOH) pour remonter le pH.

Un contrôle précis du pH est crucial car :

  • Il affecte la solubilité des hydroxydes métalliques formés (les flocs). En dehors de la plage optimale, l'aluminium peut rester en solution (nocif) ou les flocs peuvent être moins efficaces.
  • Il influence la charge des particules colloïdales et l'efficacité de leur déstabilisation.
  • Il peut impacter la consommation de coagulant (un pH non optimal peut nécessiter plus de coagulant).
Résultat Question 5 : Pour passer d'un pH de 7.8 à un pH optimal de 6.5, il faudrait ajouter un acide. Le contrôle du pH est essentiel pour optimiser la formation des flocs, minimiser la concentration d'aluminium résiduel et assurer l'efficacité globale du processus de coagulation-floculation.

Quiz Intermédiaire 2 : La floculation, qui suit la coagulation, est un processus :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Quel est le principal objectif de la coagulation dans le traitement de l'eau ?

2. Le "Jar-test" est utilisé pour :

3. La floculation nécessite généralement :

Glossaire

Coagulation
Processus physico-chimique consistant à déstabiliser les particules colloïdales et en suspension dans l'eau par l'ajout d'un coagulant, neutralisant leurs charges électriques et permettant leur rapprochement.
Floculation
Processus d'agglomération des particules déstabilisées (micro-flocs) en flocs plus gros et plus denses, sous l'effet d'une agitation lente, facilitant leur séparation ultérieure (décantation, flottation, filtration).
Coagulant
Produit chimique (généralement un sel métallique comme le sulfate d'alumine ou le chlorure ferrique) ajouté à l'eau pour initier la coagulation.
Floc
Agrégat de particules colloïdales et de matières en suspension formé pendant la floculation, ainsi que des précipités d'hydroxyde métallique issus du coagulant.
Jar-Test
Essai de laboratoire simulant les étapes de coagulation-floculation à petite échelle pour déterminer les conditions optimales de traitement (type de coagulant, dosage, pH, vitesses d'agitation).
Turbidité
Mesure de la clarté de l'eau, indiquant la présence de matières en suspension qui diffusent ou absorbent la lumière. Une turbidité élevée rend l'eau trouble.
Matières en Suspension (MES)
Particules solides insolubles présentes dans l'eau, qui peuvent être d'origine minérale ou organique.
Boues de Traitement
Sous-produit du traitement de l'eau, constitué des impuretés éliminées (MES, micro-organismes) et des résidus de réactifs chimiques (ex: hydroxydes métalliques).
Traitement de l’Eau par Coagulation-Floculation - Exercice d'Application

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