Licence pro Traitement des eaux Yves MICHEL William MOREAUD Laetitia SALVADORI TP Jar Test Les eaux de surface présentent naturellement une couleur trouble. Cette turbidité est due à la présence de particules en suspension: particules organiques issues de la décomposition, argiles mises en suspension lors du ruissellement après la pluie, micro-organismes, etc. Cette turbidité peut également être observée sur les eaux de distribution dans certains cas de corrosion, ou de conduites très encrassées ( par un biofilm par exemple). Outre le problème d'aspect, qui peut rebuter le consommateur, les particules en suspension servent de support au micro-organismes pathogènes et, dans certains cas, amoindrissent l'effet des traitements antiseptiques. Les eaux usées traitées en STEP peuvent également être troubles en sortie du clarificateur, nécessitant une étape de traitement supplémentaire afin d'éviter un impact trop important sur le milieu naturel. Moins de lumière diminue la photosynthese des algues et donc le taux d'oxygène dans l'eau, et l'oxydation des particules chimiques et organiques en décomposition s'en trouve ralentie. Les causes de la turbidité: Dans une eau au repos, les particules en suspension devraient se décanter à une vitesse décrite par la loi de Stockes. Cependant, la taille réduite de ces particules rend leur vitesse de décantation particulièremnt lente. Par exemple, pour les vases et minéraux argileux, la vitesse de décantation est de l'odre de 0,0075 m/sec., et il s'agit là d'éléments relativement grossiers dans la gamme des particules en suspension, les particules plus fines ont des vitesses tellemnt faibles que leur décantation prendrait des années au moins. De plus, ces particules sont chargées électriquement (négativement), ce qui les repousse les unes des autres et les maintient en suspension. Les acides fulviques et humiques (responsables de la couleur brune des eaux de lacs), peuvent rester ainsi en suspension quasi infiniment. Pour éliminer la turbidité, il faut réduire ces charges répulsives et créer des liaisons chimiques, ioniques ou électrostatiques entre particules qui formeront des flocs qui décanteront rapidement et seront plus facilement filtrables. C'est le rôle des coagulants. Attention, l'injection d'une trop grande quantité de coagulant pourrait charger les particules positivement et recréer des forces répulsives empêchant alor la création des flocs et donc la décantation complète des particules. But du TP Ces coagulants sont des substances industrielles actives, dont la manipulation est plus ou moins délicate, dont le cout est notable et dont les traces restant dans l'eau après traitement peuvent être plus ou moins toxiques (des études en cours essaient de déterminer si l'aluminium résiduel aurait une influence sur l'apparition de la maladie d'alsheimeir). De plus, les cagulant ne sont efficaces qu'a certaines concentrations.
Le Jar-test est une manipulation visant à déterminer, sur un échantillon donné, l'efficacité comparée d'un coagulants en fonction des doses injectées. Nous en déduirons la dose optimale nécessaire au traitement et le ph auquel son action est la plus efficace. Le principe du Jar Test Première partie Sur une série d'échantillons du même produit, nous injectons une dose variable de coagulant. Dans notre cas, il s'agit de Sulfate d'aluminium Al 2 (SO 4 ) 3 injecté dans un échantillon d'eau clarifiée de la station d'épuration de Limoges. Après mélange, coagulation et décantation; la turbidité du surnageant est mesurée au turbidimètre. La dose optimale de coagulant est celle grâce à laquelle le surnageant est le plus limpide. Al 2 (SO 4 ) 3 10g/L 50mL 100mL 150mL 200mL 300mL 6 x Echantillon 1L 1 2 3 4 5 6 L'échantillon 1 est un échantillon sans coagulant pour comparer l'action de celui-ci sur les autres. Suite à l'injection, les échantillons sont soumis a une agitation rapide (150 t/min.) afin de favoriser la coagulation par le mélange. Agitation à 150 tr/min. Pendant 3 minutes, puis agitation lente pendant 15 minutes à 40 tr/min. Cette vitesse plus lente évite de casser les flocs déjà formés tout en permettant un mélange pour favoriser leur polymérisation. 1 2 3 4 5 6 Après 30 minutes de décantation, le surnageant de chaque échantillon est 1 2 3 4 5 6 récupéré et mesuré au turbidimètre. Une mesure est obtenue sur une échelle en NTU. Les résultats sont compilés dans le tableau "Recherche de la dose optimale" en annexe. Remarque : Les flocs sont des assemblage de type complexes, ce qui implique un équilibre entre les flocs qui se forment et ceux qui se solubilisent en permanence. De plus, l'ajout de coagulant fait baisser le ph. Plus ce ph est bas, plus l'échantillon est concentré
en ions H 3 O +. Une trop forte concentration de cations aura tendance a repousser les flocs qui sont chargés plutot positivement depuis l'action du coagulant. Dans un échantillon présentant un ph acide (3-4) l'aluminium (et le fer) précipite très peu. L'aluminium précipite sous forme d'hydroxyde d'aluminium [Al(OH) 3 ]et le fer sous forme d'hydroxyde de fer [Fe(OH) 3 ], d'ou l'importance d'étudier l'influence du ph sur l'action du coagulant. Deuxième partie Dans une série d'échantillons nous injectons une même dose de coagulant. Nous utiliserons les résultats de la manipulation précédente : le meilleur résultat ayant été observé pour une dose de 50 mg/l de sulfate d'aluminium. Afin d'étudier l'influence du ph sur la décantation, nous avons corrigé le ph de chaque échantillon afin d'avoir un ph différent sur chacun. Al 2 (SO 4 ) 3 10g/L 50 ml 50 ml 50 ml 50 ml 50 ml 50 ml 6 x Echantillon 1L 1 2 3 4 5 6 ph 6 ph 7 ph 8 ph 9 ph 10 ph 11 Agitation à 150 tr/min. Pendant 3 minutes, puis agitation lente pendant 15 minutes à 40 tr/min. 1 2 3 4 5 6 Après 30 minutes de décantation, le surnageant de chaque échantillon est récupéré et mesuré au turbidimètre. 1 2 3 4 5 6 Les résultats sont compilés dans le tableau "Recherche du ph optimal" en annexe Nous pouvons en déduire le ph auquel le coagulant exprime le mieux son efficacité.
points importants L'échantillon doit être soigneusement homogénéisé avant le soustirage pour remettre les particules en suspension. Etant donné la longueur des manipulations et les temps d'agitation rapides relativement courts, il convient de préparer les doses de coagulant à l'avance et de l'injecter dans tous les échantillons en même temps. Pour comparaison, une eau potable a une turbidité de 0,5 NTU. Il convient donc d'étalonner le turbidimètre soigneusement. analyse des résultats Cette manipulation avait pour but de déterminer la dose de coagulant nécessaire a la réduction de la turbidité d'une eau issue du traitement secondaire de la station de traitement de Limoges. Le protocole suivi ne permet qu'une détermination grossière de la quantité optimale de coagulant a utiliser. En effet, le résultat obtenu n'est déterminé qu'à 50mg/L près, ce qui peut représenter des quantité notable si il n'était pas affiné dans un process industriel. De plus, il est déterminé sur de l'eau usée après traitement. Les doses utilisées sont donc relativement importantes. L'analyse aurait du être beaucoup plus fine s'il s'agissait d'une eau de surface (a priori plus propre) destinée à la consommation. De plus, dans celle-ci les résidus d'aluminium (ou de fer) devraient être plus strictement contrôlés. Dans une eau usée, une couleur rouille résiduelle risque de poser moins de problème. De plus, on constate, par mesure une diminution du taux de phosphate dans l'eau après traitement. Le traitement tertiaire appliquée a cet effluent au niveau de la station est une coagulation-floculation de déphosphatation des eaux avant rejet dans le milieu naturel. On constate une différence notable entre les résultats de turbidité mesuré sur l'échantillon 2 de la première série et l'échantillon 3 de la deuxième, malgré des condition de départ proche. De plus, dans la deuxième série, la valeur de turbidité relevées sur l' échantillon 4 présente une valeur inférieure a ce qu'on pouvait en déduir de l'évolution des deux échantillons précédents. Cette valeur est elle entachée d'erreur? Ou bien est celle de l'échantillon précédent qui est fausse? Dans le premier cas, la conclusion est que le ph optimal de réaction est de 6,8, imposant une correction systématique de l'eau par injection d'acide pour ajuster son ph a cette valeur (le ph de départ est de 7,64). Dans le deuxième cas, la valeur réele de la turbidité résiduelle serait inférieure a celle mesurée lors de cette manipulation, la correction du ph pour optimiser l'action du coagulant serait moindre, impliquant une moins grande quantité d'acide a injecter. La différence peut être notable dans le cas d'un flux industriel d'eau a traiter. Comme prévu, la quantité d'orthophosphate de l'eau traité a bien diminué confirmant l'efficacité du coagulant sur la déphosphatation. Conclusion En conclusion, Le sulfate d'aluminium est moins efficace sur la déphosphatation que le chlorure de fer mais celui-ci nécessite des doses plus importantes et une correction du ph plus grande. Un calcul économique pourrait néanmoins faire préférer celui-ci (surtout en eau usées, dans le cas d'eau plutot acides). Attention, une mesure des quantités résiduelles d'aluminium semble nécessaite (surtout pour de l'eau potable dans laquelle le norme un taux inférieur a 1mg/L.
Essai de floculation Provenance de l eau : eau de la station d épuration de Limoges en aval du traitement secondaire par boues activées et en amont du traitement tertiaire. On simule le traitement tertiaire physicochimique de déphosphatation des eaux usées. Eau prélevée le 15/10/2008 analysée le 16/10/2008 Température ( C) Turbidité (NTU) ph Eau brute 20,5 3,28 7,68 Recherche de la dose optimale. Coagulant : Al(SO 4 ) 3 Echantillon 1 2 3 4 5 6 Dose de coagulant (ml) 0 5 10 15 20 30 Dose de coagulant (mg/l) 0 50 100 150 200 300 PH final 7,7 7,2 6,7 6,4 6 4,8 Qualité du floc 0 4 4 4 4 4 Qualité de la décantation 0 6 7 5 5 5 Turbidité (NTU) 1,05 0,54 1,11 1,97 2,13 2,96 9 variation du ph et de la turbidité ph final turbidité 8 ph 7 6 5 4 3,5 3 4 3 Turbidité 2,5 2 1,5 1 0,5 2 1 0 0 0 50 100 150 200 300 dose de coagulant (mg/l)
Influence du ph Echantillon 1 2 3 4 5 6 PH initial 6 7 8 9 10 11 Dose de coagulant (Al 2(SO 4) 3 mg/l) 50 50 50 50 50 50 PH final 5,4 6,8 7,2 7,2 9,3 10,6 Qualité du floc 4 4 4 4 4 4 Qualité de la décantation 6 7 5 5 5 4 Turbidité (NTU) 1,11 0,56 0,86 0,75 1,06 1,2 Variation de la turbidité en fonction du ph pour une dose de coagulant déterminée (Al 2 (SO 4 ) 3 50mg/L) 4 3,5 3 2,5 turbidité 2 1,5 1 0,5 0 ph final 5,37 6,77 7,2 7,22 9,3 10,58 Mesures du taux d'orthophosphates, récapitulatifs des résultats (avec les mesures de la manipulation avec FeCl 3 pour comparaison) Eau brute Eau traitée au Al 2 (SO 4 ) 3 Eau traitée au FeCl 3 Orthophosphates (mg/l de P) 0,41 0,08 0,01 Dose optimale (mg/l) 50 150 ph optimal de coagulation 6,8 5,8