Water Treatments

COAGULATION
FLOCULATION

Principe et technologie
Version 1 - 08.01.2001 - Document technique - Doc F1.01.01 -
Water Treatments
Partie III :
Floculation - Coagulation
1. Introduction
2. Caractrisation des polymres
3. Thorie de la coagulation-floculation
Caractrisation des particules
Coagulation
Floculation

4. Coagulation - Floculation -Applications
Ractions prparation
Slection du polymre
- Test floculation. Jar Test
- Choix selon la boue
- Choix selon la machine
Mise en uvre industrielle
Applications industrielles
Exemples de problmes grer

PLAN
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INTRODUCTION
CHIMIE DES POLYMERES
LES FLOCULANTS
Le terme floculant dfini un polymre qui permet la floculation, c'est
dire la formation de flocs (associations de particules entre elles).
Les polymres sont constitus par l'association de monomres lors
de la raction chimique de polymrisation.
Polymres naturels : amidons, alginates(extrait d'algues
marines).
Polymres de synthse provenant de la chimie du ptrole.
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CARACTERISATION DES
POLYMERES
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CARACTERISTIQUES DES POLYMERES
1- MONOMERE
2- POIDS MOLECULAIRE
3- DISTRIBUTION DU POIDS MOLECULAIRE


4- STRUCTURE DE LA CHAINE
linaire
branche
rticule


5- SEQUENCE DU MONOMERE
Hasard A-A-B-A-B-B-A-B-A
Altern A-B-A-B-A-B-A-B-A
Blocs A-A-A-B-B-B-A-A-A
Bloc-branchs A-A-A-A-A-A-A-A-A
B B
B B
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Polymres de synthse et leur charge
Polymre anionique Polymre cationique Polymre non-ionique
Magnafloc 155 Zetag 7557 Magnafloc 351

Diffrents modes de fonctionnement selon la nature du polymre :

Cationique : NEUTRALISATION, ADSORPTION, PONTAGE

Anionique et non- ionique : ADSORPTION ET PONTAGE

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LE POIDS MOLECULAIRE

La masse molaire du polymre (10
5
2.10
7
g.mole
-1
) caractrise le floc et lui
confre notamment ses proprits physiques :

- LA RESISTANCE A LA COMPRESSION
- LA RESISTANCE AUX CISAILLEMENTS
- LE POUVOIR DEGOUTABILLITE
Caractristiques des polymres
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Polymres POUDRES (GEL)
Polymres MICRO BILLES
Polymres LIQUIDES :
- SOLUTIONS (Polymre + eau : 15% - 85%)
- EMULSIONS (Polymre + eau + huile : 40% - 15% - 45%)
- DISPERSION (Polymre + huile : 50% - 50%)
Polymres LINEAIRES
Polymres RETICULES (uniquement sous forme liquide)
Caractristiques des polymres
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Coagulants organiques (MAGNAFLOC ZETAG 71..)
Coagulants inorganiques et organiques (ALCYL)
Floculants cationiques (ZETAG)
Floculants anioniques (MAGNAFLOC)
Gammes Ciba SC
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THEORIE DE LA COAGULATION
FLOCULATION
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Taille des particules et dcantabilit
- Les particules sont gnralement classs par taille
Temps requis pour que des particules de densits 2,65, 2,0 et 1,1 chutent
de 1 m dans une eau 15C.
Type de
particule
Diamtre
(mm)
Temps de chute
Densit
de 2,65
Densit
de 2,0
Densit
de 1,1
Gravier
Sable grossier
Sable fin
Glaise
Bactries
Collodales
Collodales
Collodales
10,0
1,0
0,1
0,01
0,001
0,000 1
0,000 01
0,000 001
0,013 s
1,266 s
126,66 s
3,52 h
14,65 d
4,12 a
412,2 a
41 222,7 a
0,02 s
2,09 s
3,48 min
5,80 h
24,19 d
6,66 a
665,9 a
66 590 a
0,20 s
20,90 s
34,83 min
58,0 h
241,9 d
66,59 a
6 659 a
665 905 a
CARACTERISATION DES PARTICULES
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Charges lectriques et double couche
Affinit des particules pour leau
Particules hydrophiles

Dispersion spontane dans leau
Particules hydrates (entoures de
molcules d eau)
Particules hydrophobes

Dispersion non spontane dans leau
Elles ncessitent un moyen chimiques
ou physiques pour dcanter


En ralit, les particules sont plus ou moins
hydrophyles ou hydrophobes.
On parle de diffrents dgrs dhydratation
CARACTERISATION DES PARTICULES
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Charges lectriques et double couche (Thorie de Stern)
Particule
-
-
-
-
-
Couche lie
Forces lectrostatiques
importantes.
Les ions se dplacent
avec la particule
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
Couche diffuse
Forces lectrostatiques faibles.
Une partie des ions se dplace
indpendamment de la particule
+
+
+
+
+
-
-
E
Nernst

E
Stern

Z = potentiel Zta
Le potentiel Zta rgit le dplacement des collodes (plan de cisaillement et limite avec la solution)
LA COAGULATION TEND A ANNULER LE
POTENTIEL ZETA
CARACTERISATION DES PARTICULES
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Il existe un quilibre entre les forces de rpulsion et les forces d attraction lectrostatiques
coagulation = dstabilisation des particules par compensation des forces
Mise au mme potentiel lectrique de la particule

Moyens
1. Compression de la double couche. Augmentation de la force ionique.
2. Adsorption du coagulant et neutralisation des charges. Charges du coagulant peuvent
neutraliser les charges de la particule.
3. Emprisonnement des particules dans un prcipit. Cas des sels mtalliques.
4. Adsorption et pontage. Liaison chimique avec le coagulant.

COAGULATION
Dfinition
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COAGULATION
Les coagulants minraux : Sels mtalliques - Cations trivalents (Fe
3+
, Al
3+
)

- Neutralise les charges de la particules
- Abattement d une partie de la pollution dissoute
- La coagulation est facilite avec des ions de charge leve
- Faibles cots
- Formation de boues d hydroxydes
- Corrosif
- Modifie le pH de l eau
Le pH est un paramtre important pour la floculation.
Ajustement la chaux possible
Cation pH optimal
Al
3+
6,0 7,4
Fe
3+
> 5
Exemples :
Aluminium : AlCl
3
, Al
2
(SO
4
)
3
+ Ca(OH)
2
, Al
2
(SO
4
)
3
+ Na
2
CO
3
, NaAlO
2
, [Al
6
(OH)
12
]
n

Fer : FeCl
3
, FeCl
3
+ Ca(OH)
2
, Fe
2
(SO
4
)
3
+ Ca(OH)
2
, FeClSO
4
, FeSO
4
...
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COAGULATION
Les coagulants organiques de synthse
- Caractre cationique
- Masse molaire moyenne 10
4
10
5
g.mol
-1

- Formation de boues moins importante
- Composs utilisables directement
- Peu de modification de pH et peu de salinit
- Habituellement liquide - Ciba SC propose une poudre Magnafloc 368

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COAGULATION
Facteurs influenant la coagulation
Influence du pH
- Une partie des lments prsents dans leau sont amphotres : lionisation dpend du pH.
- Pour un pH lev (augmentation de charge (-)), la quantit de coagulant sera augmente

Influence de la temprature
- Augmentation de la viscosit de l eau

Influence de la turbidit
- Prsence de matires en suspension rend plus difficile la dcantation. En particulier, MO.

Influence de la concentration en sels dissous
- Modifie les interactions lectrostatiques et ioniques des collodes
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Une fois dstabilises, les particules sagglomrent en FLOCS de vitesse variable = FLOCULATION
La floculation augmente la probabilit de rencontre des particules


Dfinition
FLOCULATION
Schmatisation du principe de floculation par polymre de
synthse
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Floculants utiliss
FLOCULATION
On trouve majoritairement des floculants type polymres de synthse. Avantages : faible quantit
de boue, boues paisses (traitement directe par dshydratation).
Polymres naturels : amidon, alginates (extrait dalgues..), argiles


Efficacit de la floculation dpend de

Temps entre la coagulation et la floculation est primordial
Temprature, taille du floc, cohsion et vitesse de dcantation

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COAGULATION FLOCULATION
APPLICATIONS
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Ractions de Coagulation - Floculation

Coagulation = dstabilisation des collodes
Formation dun microfloc
Temps de raction minimum = 2 min
Floculation avec polymre prpare 1 g.L
-1
dilue 0,2 g.L
-1
Taille du floc : 3 5 mm
Racteur de floculation
Temps de raction minimum de 5 mn.

COAGULATION - FLOCULATION
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COAGULATION - FLOCULATION
Slection du polymre

Essai laboratoire : Jar-Test.
Dtermination du polymre : charges ioniques, poids Molculaire (PM).
Critres de slection : Vd, Clarification.
Dosage minimum, optimum, maximum.
Mesures MES, DCO.
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Slection du polymre.
Test de floculation Jar Test
COAGULATION - FLOCULATION
Vitesse constante : 40 tours/min
T=20 min

Observations :
- Dose de ractif introduite
- Aspect de la floculation (pas de floc, flocs
moyens, trs gros flocs)
- pH aprs floculation
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COAGULATION - FLOCULATION
Exemple dessais Jar test

Concentration en M.E.S. de l effluent trait : 226 mg.L
-1
.

Protocole d essai :
Ajout de FeCl
3
10 - 30 et 60 g/m
3
.
Agitateur 90 tr/mn. durant 150".
Ajout de polymre prpar 0,5 g/l.
Agitation 90 tr/min. durant 430".
Prlvement M.E.S. 10 minutes.

Le temps de contact choisi correspond aux temps de contact minimum dans les conditions de
temps de pluie 12 m
3
/s.
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Dose FeCl
3
Polymre Dose polymre Taille du floc Vitesse de dcantation MES pour 0,5 g.m
-3
g.m
-3
g.m
-3
cm.mm
-1
mg.L
-1
10 Magnafloc E24 0,3/0,5 Moyen gros/gros 16/18 > 30
Magnafloc 155 0,3/0,5 Moyen/gros 12/15 > 30
Magnafloc 156 0,3/0,5 Petit/trs petit / > 30
30 Magnafloc E24 0,3/0,5 Gros/gros 20/19 35
Magnafloc 155 0,3/0,5 Moyen gros/gros 15/20 28
Magnafloc 156 0,3/0,5 Moyen petit/petit 05/05 62
60 Magnafloc E24 0,3/0,5 Moyen/moyen 10/10 24
Magnafloc 155 0,3/0,5 Trs gros/trs gros 18/26 28
Magnafloc 156 0,3/0,5 Gros/gros 12/15 > 30
Rsultats de Jar Test
Caractre ionique Magnafloc 156 > 155 > E24

CHOIX MAGNAFLOC 155
COAGULATION - FLOCULATION
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Boue PRIMAIRE : M.V< 60 % ---> CATIONIQUE FAIBLE
Boue MIXTE : M.V< 65 % ---> CATIONIQUE MOYEN
M.V < 75 % ---> CATIONIQUE MOYEN A FORT
Boue DIGEREE : M .V< 60 % ---> CATIONIQUE FAIBLE A MOYEN
M .V> 60 % ---> CATIONIQUE MOYEN A FORT
Boue BIO SEULE : M.V < 75 % ---> CATIONIQUE FORT A TRES FORT
M.V > 75 % ---> CATIONIQUE TRES FORT
Boue MINERALE : POLYMERE ANIONIQUE
Choix des polymres selon la boue
COAGULATION - FLOCULATION
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Filtre bande : LINEAIRE BAS ET MOYEN POIDS MOLECULAIRE
Centrifugeuse : LINEAIRE HAUT POIDS MOLECULAIRE ET RETICULE
Table d gouttage : LINEAIRE MOYEN ET HAUT POIDS MOLECULAIRE ET RETICULE
Filtre presse : LINEAIRE MOYEN POIDS MOLECULAIRE
Choix des polymres selon l appareillage
COAGULATION - FLOCULATION
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Mise en uvre industrielle
PREPARATION
Mouillage de la poudre grain par grain
Agitation soutenue dans le bac de prparation
Concentration maximale de 5 g.L
-1

Temps de mrissement minimal d une heure
Deux types de prparation automatique
- En continue (gnralement 3 bacs)
- En bche (2 cuves) ex : F.A.B

COAGULATION - FLOCULATION
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Fully Automatic Blower Unit
F.A.B
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APPLICATION
Le floculant doit tre introduit rapidement et uniformment
Une fois form le floc doit tre protg contre les dommages physiques

Le floculant doit tre dilu au moins 0,2 %
Le floculant doit tre introduit en des points de turbulence locale suivi d un courant calme
Le floculant doit tre introduit en divers points proches de la zone de floculation
Le floculant doit tre introduit uniformment sur la zone du mlangeur

Mise en uvre industrielle
COAGULATION - FLOCULATION
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Le floculant doit permettre la formation dun floc :
- trs rsistant, qui devra rsister aux sollicitations de la
centrifugeuse.
- permettant une bonne clarification du centrat
- ayant un pouvoir drainant trs important dans les
premires secondes


La prparation de la solution de floculant doit rpondre
certains critres : maturation, viscosit
COAGULATION - FLOCULATION
Applications industrielles :

CAS D UN TRAITEMENT PAR CENTRIFUGATION
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Choix du point d injection du floculant
amont pompe boue
aval pompe boue
en tte de centrifugeuse

Choix du dbit de dilution en ligne si le mlange floculant - boue
doit tre amlior.

Optimisation du dosage calcul en kg de floculant par tonne de
matire sche traite.
COAGULATION - FLOCULATION
Applications industrielles :

CAS D UN TRAITEMENT PAR CENTRIFUGATION
Water Treatments
COAGULATION - FLOCULATION
Applications industrielles :

CAS D UN TRAITEMENT PAR FLOTTATEUR

- Essai laboratoire :
Jar-Test
Flottatest

- Critres de slection :
Charge ionique adapte aux caractristiques des boues
Poids molculaire lev

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COAGULATION - FLOCULATION
CAS D UN TRAITEMENT PAR FLOTTATEUR
MES entre MES sousverse Concentration Dosage Taux Valeurs
boues flottes polymre de capture souhaites
BIOFOR 315 mg/L 52 mg/L 34 g/L 2,2 kg/TMS 83% MES entre
0,5 g/L
MES sousverse
< 65 mg/L *
BIOSTYR 2 g/l < 300 mg/l 70 90 g/l 2 kg/TMS 62% Concentration
boues flottes
35 g/L
Dosage polymre
2,5 kg/TMS
* moyenne sur 24 h
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MES entre Concentration MES sousverse Consommation
boues flottes polymre
Boues biologiques 3 5 g/l 30 50 g/l < 750 mg/l
Aration prolonge
Boues physico-chimiques 2 g/l 70 90 g/l < 300 mg/l 2 kg/TMS
(effluent agro alimentaire)
Conditionnement FeCl3
+ floculant anionique
Boues mixtes urbaines 15 20 g/l 50 70 g/l < 1 g/l 1,5 kg/TMS
(primaires + biologiques)
Boues cellulosiques papeterie 1 g/l 20 40 g/l < 200 mg/l 1 kg/TMS
COAGULATION - FLOCULATION
Autres applications industrielles
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COAGULATION - FLOCULATION
EXEMPLE DE PROBLEMES A GERER
Problmes rencontrs Causes possibles Action corrective
Dgradation de la Augmentation de la Augmentation du dosage
clarification charge en MES de polymre
Changement de la Essais laboratoire
qualit de l'effluent Modification du dosage
FeCl
3
et/ou polymre
Remonte de particules Remontes du lit de boue Extraction des boues
flocules Densit du floc trop faible Augmentation du dosage
FeCl
3
et essais laboratoire
Variations brutales du dbit