Chapitre 3 -Coagulation - Floculation

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
Turbidité et MES
Couleur
Dureté © Hubert Cabana.Processus permettant l’élimination …. 2011 4 . 2005 © Hubert Cabana.Degrémont. 2011 5 . 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 . ρrelative= 2.65) 10 mm gravier 0.Pour illustrer… Rayon équivalent Dimension approximative de Temps de sédimentation (h = 10 cm. Quid des petites particules??? 7 © Hubert Cabana. 2011 . 2011 8 .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 © Hubert Cabana. 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. 2011 .
Floculation :
Représente l’ensemble des mécanismes de transport des particules déstabilisées menant à la collision et à l’agrégation de ces dernières 9 © Hubert Cabana. 2011 .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 © Hubert Cabana. 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 © Hubert Cabana. 2011 . 2011 .Représentation Solution Surface de cisaillement Particule électronégative Couche rigide Colloïde Adaptée de www.aquazet.com 12 © Hubert Cabana. 1996. . P.A. et Richards. 2011 Reynolds T..D.Potentiel électrostatique 13 © Hubert Cabana. et Richards.D..Potentiel électrostatique 14 © Hubert Cabana. P. . 2011 Reynolds T. 1996.A. 2011 .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 © Hubert Cabana. favoriser l’attraction entre les colloïdes Répulsion Coagulant Attraction Ajout de coagulant 16 Alimentation © Hubert Cabana.Coagulation
Le processus de coagulation repose sur la déstabilisation des particules. i. 2011 .e. les coagulants utilisés combinent ces différentes approches 17 © Hubert Cabana.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. 2011 . © Hubert Cabana. 2000 18 . 2011 Qasim et al.. 14H20 (Alun)
Sulfate ferreux (FeSO4)
Sulfate ferrique (Fe2(SO4)3)
Chlorure ferrique (FeCl3)
Polyélectrolytes
Synthétiques
Naturels 19 © Hubert Cabana. 2011 .Coagulants utilisés
Sels métalliques
Sulfate d’aluminium (Al2(SO4)3). 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). 2011 21 . © Hubert Cabana.
Fer.
Manganèse et
Magnésium.
Calcium. 2011 22 . 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.Le produit de solubilité + MX ⇔ M + X + − − K sp = [ M ][ X ] • Si [M+][X-] est < Ksp → la solution est sous-saturée (donc. 66 mg de boues sous forme d’hydroxyde de fer.92 mg d’alcalinité et génère 0.
Chlorure ferrique → Élimination de l’alcalinité 2 FeCl3 + 3Ca ( HCO3 ) 2 ⇔ 2 Fe(OH ) 3 ( s ) ↓ +3CaCl2 + 6CO2 1 mg de chlorure ferrique consomme 0.54 mg de boues sous forme d’hydroxyde de fer.75 mg d’alcalinité et génère 0. © Hubert Cabana. 2011 23 .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. 51 mg d’alcalinité et génère 0.26 mg de boues sous forme d’hydroxyde de fer.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. 2011 24 . © Hubert Cabana. 7.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. 6. 2011 . 7. pH: 5. 5. 6.0.5. [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.5) • Ajouter la même concentration de coagulant dans chaque bécher 25 © Hubert Cabana.0.0.5. 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 26 © Hubert Cabana. 3 27 © Hubert Cabana. 2011 .Le pH optimal correspond à celui permettant d’obtenir la turbidité minimale à la fin du test Turbidité résiduelle vs pH pH optimal: 6. 5. 6. 2011 .Détermination de la [coagulant] optimale • Répéter les étapes précédentes. 15. 7. mais : – Ajuster le pH de la solution au pH optimal (eg.3) – Tester différentes concentrations de coagulant (eg. 12. 10. 20 mg l-1) 28 © Hubert Cabana. 2011 . l’alun est utilisé comme coagulant à une concentration moyenne de 16 mg Al / l 29 © Hubert Cabana.PC1 Détermination de la [coagulant]optimale [coagulant]optimale: 12.5 mg/L [coagulant] (mg l-1) Dans la majorité des cas. 08/10/2007 .Diapositive 29 PC1 Titre ? Pierre Cabana. . 2006 © Hubert Cabana. 2011 .Jar tests 30 Bratby. J. 2003.. . 2011 Metcalf & Eddy inc.Impact du pH 31 © Hubert Cabana.
Sécurité. quantité de boue générée. 2011 32 .).
Capacités d’entreposages © Hubert Cabana.Choix et dosage du coagulant
Chaque eau doit être testée individuellement. etc. coût de valorisation des boues.
Choix du coagulant se fait selon des considérations :
Économiques (coût. © 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 . A. 2011 Reynolds T. et Richards.Mélange rapide – Mélangeurs mécaniques 35 © Hubert Cabana.. 1996 .D. P. hélices. etc. © Hubert Cabana.).
Équipements additionnels nécessaires (moteur.
Opération flexible. 2011 36 .
Agitation ajustable.
Fiabilité du processus dépend de la fiabilité des équipements.Mélange rapide – Mélangeurs mécaniques Avantages Inconvénients
Agitation indépendante du débit. 1990 © Hubert Cabana.AWWA. 2011 37 . Types d’agitateurs utilisés © Hubert Cabana. 2011 Qasim et al. 2000 38 .. Qasim et al. 2000 © Hubert Cabana.. 2011 39 .
Les mélangeurs statiques.
Les mélangeurs hydrauliques.
Les mélangeurs mécaniques en ligne. © Hubert Cabana. 2011 40 .Autres types d’agitateurs : les agitateurs en ligne
Les mélangeurs à buse. 2011 AWWA.Les mélangeurs à buse © Hubert Cabana. 1990 41 . Mélangeur utilisant la force de pompage © Hubert Cabana. 2011 AWWA. 1990 42 . 1990 43 . 2011 AWWA.Les mélangeurs mécaniques en ligne © Hubert Cabana. Mélangeurs statiques http://www.com/watch?v=N9cM64wylM0&NR=1 © Hubert Cabana.nv.youtube.northlandengineering.net/ http://ndep. 2011 44 .gov/bffwp/images\cc_static_mixer.jpg http://www. peut générer des taux de cisaillement de 1000 s-1 à 20°C.) et autres équipements hydrauliques (ex : valves) pour mélanger le coagulant. © Hubert Cabana.
Perte de charge ne doit pas être trop importante (ex : dans une valve inférieure à 4 ft). 2011 45 . Parshall.
Un déversoir dont la chute est de 1 pied. etc.Mélangeurs hydrauliques
Peut utiliser la turbulence générée par différents types de déversoirs (ex : en V. Mélangeurs hydrauliques © Hubert Cabana. 2000 46 . 2011 Qasim et al.. © Hubert Cabana.
Temps de séjour.
Taux de cisaillement (G-value). 2011 47 .
Dimensions des bassins.
Puissance dissipée.Conception des unités de coagulation
Agitation « intense ».
Puissance fournie. © Hubert Cabana.L’agitation
Doit fournir suffisamment d’énergie pour disperser les coagulants utilisés.
Réactions de précipitation sont plus lentes. 2011 48 .
Les réaction de coagulation ont lieu rapidement.
Utilisation du gradient de vitesse pour déterminer l’efficacité de l’agitation. 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 2011 52 . µ = viscosité de l’eau (N* s * m-2) n = vitesse d’agitation (rps. s-1). ρ = densité de l’eau (kg/m3).Type d’écoulement d nρ 2 Re = µ Où : d = diamètre des palles de l’agitateur (m). © Hubert Cabana. 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 55 139 20 0.Impact de la température
µ et ρ de l’eau = F(T°) Température Masse Viscosité volumique (g/ml) dynamique (cP) 5 0.002 Voir annexe A-2 pour plus de données © Hubert Cabana. 2011 56 .9999 1.991 1.9982 1.9997 1.307 15 0.519 10 0. 15 15 1.35 5 1.07 20 1 25 0. 1990 57 .95 30 0.9 © Hubert Cabana.25 10 1. 2011 AWWA.Facteurs de correction
Correction du temps de séjour en fonction de la T° Température Facteur de correction 0 1.
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
Objectif : fournir une agitation uniforme (G uniforme). ) • Typiquement Gt = 30 000 – 60 000 • Typiquement : 0. type de coagulant.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. etc. 2011 59 .2 – 5 minutes • G : 700 – 1000 s-1
V=Qt © Hubert Cabana. fr La floculation © Hubert Cabana.hellopro.http://www. 2011 60 . irrégulier..Une fois que les particules sont déstabilisées?
Le mouvement Brownien Metcalf & Eddy inc. 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. Mouvement aléatoire. 2003. 2011 . 2011 Metcalf & Eddy inc. 2003.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 .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. L.. 2011 Droste. R. (1997) .Polyélectrolytes 65 © Hubert Cabana. . 2011 Metcalf & Eddy inc..Action des polyélectrolytes 66 © Hubert Cabana. 2003. Agitation dans les unités de floculations
Agitation « douce » :
G = 20 – 70 s-1
t = 10 – 30 minutes
Profondeur = 3 – 4. bien souvent. 2011 67 .
Uniformité du taux de cisaillement dans le bassin
Grand agitateurs couvrant. une grande fraction de la largeur des des bassins. © Hubert Cabana.5 m
Maximise le contact entre les flocs déstabilisés pour favoriser la formation de flocs pouvant facilement décanter ou être séparés par filtration. typiquement 3-4) • Diminution de G d’un bassin à l’autre AWWA. 2011 Qmax) 68 . 1990 Le transfert entre chacun des bassins se fait à une vitesse de ~ 30 .45 cm/s (à © Hubert Cabana.Agitation dans les unités de floculations
Compartimentation des bassins
Plusieurs bassins en cascade (2-6. 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. 2011 69 . 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. Types de floculateurs Floculateur à chicanes (hydraulique) Floculateurs à palettes (mécanique) © Hubert Cabana. 2011 70 . 2011 71 . 2000 © Hubert Cabana.Types de floculateurs Kawamura. 2011 72 .Floculateurs mécaniques
Ces floculateurs offrent une grande flexibilité
Variation de G possible.
Différents designs possibles
Agitation verticale
Agitation horizontale
Agitation oscillante © Hubert Cabana.
Faible perte de charge. Floculateurs mécaniques © Hubert Cabana. 2011 73 . dernier bassin < 0.35 • Vitesse max de la palle (au bout) : 1er bassin < 2. • Utilisés dans des applications où l’on veut fournir plus d’énergie (pour filtration directe).6 m/s. • Vitesse maximale des palles : 3 m/s • Agitateurs utilisés • Diamètre palle / diamètre équivalent du bassin (D/T) > 0. © Hubert Cabana.Floculateurs mécaniques
Floculateurs verticaux :
Bassins carrés • Largeur maximale de 6 m et profondeur variant entre 3 et 5 m. 2011 74 .5 m/s. 2011 75 .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. • Chaque bras doit avoir minimalement 3 palles. • G varie d’une section à l’autre : 55 s-1 → 10 s-1 © Hubert Cabana. 2011 76 .Floculateurs mécaniques
Floculateurs horizontaux
Design des agitateurs • Surface totale des palles d’un rayon = 10 – 25% de l’aire de la section du bassin. • La vitesse de chaque palle doit se situer entre 0.15 et 1 m/s. Floculateurs mécaniques © Hubert Cabana. 2011 Kawamura. 2000 77 . 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 . diapo 56 et +).Puissance transmise lors de l’agitation
Il est possible de déterminer la puissance transmise à l’eau selon les expressions précédentes (v.
Lorsqu’un agitateur à palettes : C D Aρv P= 2 3 P = puissance (W). 9 © Hubert Cabana. 2011 79 .2 20 1.Puissance transmise lors de l’agitation – coefficients de trainées Ratio longueur : largeur CD 5 1.5 infini 1. 2011 80 .
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.
Chaque bassin est séparé par des déversoirs. © Hubert Cabana.Géométrie d’un bassin de floculation
Typiquement 3-4 section dans 1 bassin. 25) © Hubert Cabana. 8. 1990 . 2011 81 AWWA.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. h. 82 AWWA.5 h G ≈ 178 *   à 4°C t © Hubert Cabana. il y a minimalement 6 canaux de créer dans les floculateurs de type « around-the-end » et « over-and-under ».
G peut est associé:
 ρgh   G =   µt  0. temps de résidence (min). perte de charge (pied) [typiquement de 1-2 pieds]. 1990 . 2011 Pour cette approximation : t.
Temps de séjour minimalement de 20 minutes à Qmax.Floculateurs hydrauliques Typiquement. 3. 2011 83 .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°.2 pour 180°)) © Hubert Cabana. Floculateurs hydrauliques
G = 30-40 s-1.
Typiquement.75 m. la distance entre les chicanes est > 0. 2011 84 . © Hubert Cabana.
Profondeur minimale de 1 m. 3 – 0.45 m/s.Géométrie d’un bassin de floculation – les vitesses typiques
À l’arrivée : 0.15 – 0.45 m/s.45 m/min.45 – 0. 2011 85 .
À la sortie (vers décanteur) la vitesse doit être de 0.9 m/s.
Les déversoirs sont conçus pour que la vitesse soit de 0. Les ouvertures représentent de 3-6 % de la surface totale du mur. © Hubert Cabana.15 – 0.
Dans les bassins de floculation : 0. 2011 86 .Entreposage des additifs chimiques (coagulants + floculants) © Hubert Cabana. © Hubert Cabana.
Chaque produit doit être stocké dans plusieurs réservoirs et avoir un système de distribution adéquat.Stockage et distribution des produits chimiques
Les produits chimiques doivent être entreposés adéquatement. 2011 87 .
Il est impératif de prévoir suffisamment de réactifs pour une période allant de 10-30 jours. © Hubert Cabana. par exemple d’alun. de l’ordre de 10 – 60 mg/l d’eau brute à traiter.
Typiquement réservoirs en béton ou en PVC. 2011 88 .
La consommation de réactifs est fonction de la qualité de l’eau brute
Consommation typique.
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).
G = 15 – 60 (Qc > 10)
Gt = 10 000 – 15 000
Vitesse moyenne des pales = 0. 2011 89 .3-0.En résumé… critères de conception
Pour mélangeur rapide
t= 0.5 – 5 RPM © Hubert Cabana. 15 mi (si coagulant + floculant) et 6 minutes (si coagulant+floculant+sable)).6 m/s
Rotation de l’arbre = 1.2 – 5 min (Qc : 1-2 min). (2000).
Chapitre 8
Exercices suggérés : 8.4 © Hubert Cabana. Planning. Edward et Zhu. 8. 2011 90 . Design & Operation.3 et 8.2.Lectures et exercices suggérées
Qasim. Water Works Engineering.