TESTS DE FLOCULATION EN BÉCHER PROGRAMME D EXCELLENCE EN EAU POTABLE M M M M Mathieu Bergeron mbergeron@cegep-st-laurent.qc.ca
Juin 2013
3 Note : Utilisation à des fins pédagogiques seulement
4 Table des matières Étude de la coagulation : 1 (TFB 1)... 5 Impact d un aide-floculant : 2 (TFB 2)... 9 Procédé Actiflo : 3 (TFB 3)... 14 Étude de la décantation....18 BIBLIOGRAPHIE
5 ÉTUDE DE LA COAGULATION : TEST DE FLOCULATION EN BÉCHER 1 (TFB 1) 3.1- Buts - Étudier l effet du dosage d un coagulant (alun) utilisé dans les usines de filtration sur la vitesse de sédimentation et la qualité de l eau décantée; - Déterminer le dosage optimal de coagulant. 3.2- Principe La coagulation est un processus qui a pour but de déstabiliser les particules colloïdales par l ajout d un produit chimique, nommé coagulant, afin d en faciliter leur agglomération. Sur le marché, il existe plusieurs coagulants tels que l alun, le PASS, le PAC, etc. L étude de la coagulation portera sur l alun. Le dosage de coagulant varie en fonction des propriétés de l eau brute à traiter. Afin d atteindre des objectifs d efficacité et de rentabilité des coûts de production, il est important de faire une étude de la coagulation dans le but d obtenir le dosage optimal. Le test de floculation en bécher (TFB) permet de trouver le dosage optimal de coagulant. Le principe du TFB est de simuler en bécher les conditions réelles de coagulation (brassage rapide), floculation (mélange lent) et décantation sur plusieurs échantillons de l eau brute à traiter. Le dosage de coagulant varie d un bécher à l autre. Après le temps de décantation, le surnageant est soutiré dans chacun des béchers afin de mesurer le ph, l alcalinité, la couleur et la turbidité. Ces paramètres permettront d établir la dose optimale de coagulants.
6 3.3- Matériel et réactifs Banc d essai 7 béchers de 1 litre 7 erlenmeyers de 500 ml Chronomètre et thermomètre Turbidimètre Ensemble de mesure de l alcalinité Coagulant : Alun 6 seringues 7 béchers de 500 ml ph-mètre Spectrophotomètre Système de siphon 3.4- Mode opératoire A. Analyse de l eau brute Mesurez le ph, l alcalinité, la couleur, la turbidité et la température de l eau brute. Ces analyses sont faites pendant les temps d attente (agitation et sédimentation) lors de la détermination de la dose optimale de coagulants. B. Détermination de la dose optimale de coagulants (alun) 1) Versez 1 litre d eau brute dans chacun des béchers à l aide d un cylindre gradué. 2) Placez les béchers sur le banc d essai et démarrez l agitation à environ 100 RPM. 3) Choisissez les six dosages d alun que vous désirez étudier. Dans le cas de l eau brute de Vaudreuil, vos dosages devraient se situer entre 20 et 100 mg/l. 4) Pour le dosage d alun, vous utiliserez la solution mère de 10 g/l d alun préparée par le technicien. 5) Calculez le volume de solution mère d alun à injecter dans chaque bécher afin d obtenir le dosage désiré. Préparez vos doses de coagulants dans les seringues appropriées. 6) Ajoutez simultanément à chaque bécher le volume de coagulant approprié à l aide des seringues préparées au point 5). 7) Maintenez l agitation rapide (100 RPM) pendant 1 minute. 8) Réduisez la vitesse d agitation à 40 RPM pour les 9 prochaines minutes. 9) Arrêtez l agitation et relevez les pales. 10) Laissez sédimenter sans perturber pendant 30 minutes. Observez la grosseur des flocs et leur vitesse de sédimentation dans chaque bécher et attribuez-leur une cote (voir tableau). 11) À la fin des 30 minutes de sédimentation, siphonnez individuellement le surnageant de chaque bécher à 4 cm sous la surface de l eau. Vous devez recueillir séparément 300 à 400 ml de surnageant par bécher dans un erlenmeyer de 500 ml (6 béchers = 6 erlenmeyers). FAIRE ATTENTION DE NE PAS REMETTRE LES FLOCS EN SUSPENSION LORS DE CETTE MANIPULATION 12) Mesurez le ph, l alcalinité (mg/l CaCO 3 ), la couleur et la turbidité sur chacun des échantillons.
7 CARACTÉRISTIQUES DE L EAU BRUTE AVANT TRAITEMENT Date : Heure : Eau brute (source) : Lieu de prélèvement : Opérateur(s) : Analyse : Paramètre Lecture Appareil (marque/modèle) Couleur (UCV) Turbidité (UTN) ph Alcalinité (mg/l CaCO 3 ) Température initiale ( C) Température finale ( C) Observations :
8 TEST DE FLOCULATION EN BÉCHER : ÉTUDE DE LA COAGULATION Coagulant : Date : Aide-floculant : Eau : Paramètre Concentration Coagulant (mg/l) Concentration Aide-floculant (mg/l) Formation du floc (après 30 minutes) Sédimentation (après 30 minutes) Turbidité résiduelle (UTN) Couleur résiduelle (UCV) ph Alcalinité résiduelle (mg/l CaCO 3 ) Bécher 1 2 3 4 5 6 - - - - - - Formation du floc (cote) Sédimentation (cote) 0 : Pas de floc : eau claire 0 : Aucune 1 : Eau trouble : pas de floc visible 1 : Lente : incomplète après 30 minutes 2 : Petits points 2 : Rapide : complète en 20 minutes 3 : Flocons distincts (0,5 mm) 3 : Très rapide : complète en 10 minutes 4 : Gros flocons (1 mm) Observations :
9 IMPACT D UN AIDE-FLOCULANT : TEST DE FLOCULATION EN BÉCHER 2 (TFB 2) 4.1- Buts - Étudier l impact de l ajout d un aide-floculant sur l efficacité du traitement; - Déterminer le dosage optimal de coagulant et de l aide-floculant (polymère). 4.2- Principe La floculation est le processus permettant aux particules déstabilisées par la coagulation de s agglutiner pour former un floc. Le procédé de floculation est caractérisé par un mélange lent afin de favoriser les contacts entre les particules déstabilisées. Un aide-floculant peut être ajouté afin d améliorer l efficacité de la décantation. Un premier test de floculation en bécher (TFB1) a permis de déterminer le dosage optimal de coagulant seul. Ce dosage de coagulant servira de point de départ pour l analyse du dosage optimal de coagulant et d aide floculant. Le principe consiste à faire varier la dose d aide-floculant d un bécher à l autre tout en conservant le dosage de coagulant constant dans chacun des béchers. Plusieurs séries de tests peuvent être effectuées, car le dosage optimal de coagulant pourrait diminuer avec l ajout d un aide-floculant. La première série devrait être faite avec le dosage optimal de coagulant trouvé avec le TFB 1. Par la suite, d autres séries doivent être faites avec un dosage de coagulant inférieur à celui déterminé avec le TFB1. Les tableaux qui suivent présentent un exemple de l organisation d un test de floculation en bécher (TFB2) pour trouver les dosages optimaux de coagulant et d aide-floculant. SÉRIE 1 Dose de coagulants (mg/l) Dose d aide-floculant (mg/l) SÉRIE 2 Dose de coagulants (mg/l) Dose d aide-floculant (mg/l) BÉCHER 1 2 3 4 5 6 40 40 40 40 40 40 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 BÉCHER 1 2 3 4 5 6 30 30 30 30 30 30 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Les dosages optimaux seront déterminés à la suite des analyses de ph, d alcalinité, de couleur et de turbidité effectuées sur le surnageant de chaque bécher. 4.3- Matériel et réactifs Banc d essai 7 béchers de 1 litre Coagulant : Alun 12 seringues
10 7 erlenmeyers de 500 ml Chronomètre et thermomètre Turbidimètre Ensemble de mesure de l alcalinité Polymère : Magnafloc LT27 7 béchers de 500 ml ph-mètre Spectrophotomètre Système de siphon 4.4- Mode opératoire A. Analyse de l eau brute Mesurez le ph, l alcalinité, la couleur, la turbidité et la température de l eau brute. Ces analyses sont faites pendant les temps d attente (agitation et sédimentation) lors de la détermination de la dose optimale de coagulants. B. Détermination des dosages optimaux de coagulant et d aide floculant Pour ce laboratoire, les dosages étudiés seront : Bécher No Dosage Coagulant Dosage Aide-floculant 1 à 3 Dosage optimal TFB1 0,3 mg/l, 0,5 mg/l et 0,7 mg/l 4 à 6 (Dosage optimal TFB1) (10 mg/l) 0,3 mg/l, 0,5 mg/l et 0,7 mg/l 1) Versez 1 litre d eau brute dans chacun des béchers à l aide d un cylindre gradué. 2) Placez les béchers sur le banc d essai et démarrez l agitation à environ 100 RPM. 3) Pour le dosage d alun, vous utiliserez la solution mère de 10 g/l d alun préparée par le technicien. 4) Calculez le volume de solution mère d alun à injecter dans chaque bécher afin d obtenir le dosage désiré. Préparez vos doses de coagulants dans les seringues appropriées. 5) Pour le dosage de polymère, vous utiliserez la solution mère de 500 mg/l de Magnafloc LT27 préparée par le technicien. 6) Calculez le volume de solution mère de polymère à injecter dans chaque bécher afin d obtenir le dosage désiré. Préparez vos doses d aide-floculant dans les seringues appropriées. 7) Ajoutez simultanément à chaque bécher le volume de coagulant (alun) approprié à l aide des seringues préparées au point 4). 8) Maintenez l agitation rapide (100 RPM) pendant 1 minute. 9) Réduisez la vitesse d agitation à 40 RPM. 10) Ajoutez simultanément à chaque bécher le volume de polymère approprié à l aide des seringues préparées au point 6) et maintenez l agitation lente pour les 9 prochaines minutes. 11) Arrêtez l agitation et relevez les pales. 12) Laissez sédimenter sans perturber pendant 30 minutes. Observez la grosseur des flocs et leur vitesse de sédimentation dans chaque bécher et attribuez-leur une cote (voir tableau). 13) À la fin des 30 minutes de sédimentation, siphonnez individuellement le surnageant de chaque bécher à 4 cm sous la surface de l eau. Vous devez recueillir séparément 300 à 400 ml de surnageant par bécher dans un erlenmeyer de 500 ml (6 béchers = 6 erlenmeyers).
11 FAIRE ATTENTION DE NE PAS REMETTRE LES FLOCS EN SUSPENSION LORS DE CETTE MANIPULATION 14) Mesurez le ph, l alcalinité (mg/l CaCO 3 ), la couleur et la turbidité sur chacun des échantillons.
12 CARACTÉRISTIQUES DE L EAU BRUTE AVANT TRAITEMENT Date : Heure : Eau brute (source) : Lieu de prélèvement : Opérateur(s) : Analyse : Paramètre Lecture Appareil (marque/modèle) Couleur (UCV) Turbidité (UTN) ph Alcalinité (mg/l CaCO 3 ) Température initiale ( C) Température finale ( C) Observations :
13 TEST DE FLOCULATION EN BÉCHER : IMPACT D UN AIDE-FLOCULANT Coagulant : Date : Aide-floculant : Eau : Paramètre Concentration Coagulant (mg/l) Concentration Aide-floculant (mg/l) Formation du floc (après 30 minutes) Sédimentation (après 30 minutes) Turbidité résiduelle (UTN) Couleur résiduelle (UCV) ph Alcalinité résiduelle (mg/l CaCO 3 ) Bécher 1 2 3 4 5 6 Formation du floc (cote) Sédimentation (cote) 0 : Pas de floc : eau claire 0 : Aucune 1 : Eau trouble : pas de floc visible 1 : Lente : incomplète après 30 minutes 2 : Petits points 2 : Rapide : complète en 20 minutes 3 : Flocons distincts (0,5 mm) 3 : Très rapide : complète en 10 minutes 4 : Gros flocons (1 mm) Observations :
14 PROCÉDÉ ACTIFLO : TEST DE FLOCULATION EN BÉCHER 3 (TFB 3) 7.1- Buts - Déterminer le dosage optimal de coagulant et de l aide-floculant (polymère) pour un procédé à flocs lestés (Actiflo ); - Comparer les résultats du TFB avec ceux de l usine. 7.2- Principe Cette méthode a été développée dans le but de simuler le procédé de décantation Actiflo. Elle est utilisée pour déterminer le ph de coagulation, les dosages de coagulant et de l aide-floculant nécessaires pour obtenir la meilleure qualité d eau clarifiée. Lorsque la méthode reproduit fidèlement les conditions à l usine, elle peut être utilisée pour évaluer la performance des unités Actiflo existantes ainsi que pour diagnostiquer des problèmes d opération. Cette méthode consiste en un test de floculation en bécher reproduisant les étapes d un procédé Actiflo. Dans une unité Actiflo, avec un débit correspondant à une vitesse superficielle de 40 m/h dans le bassin de décantation, les temps de résidence de l eau sont de : M M M M No Étape Actiflo Temps de résidence 1 Bassin de coagulation 2 minutes 1 2 Actiflo 3 4 2 Bassin d injection 2 minutes 3 Bassin de maturation 6 minutes 4 Bassin de décantation 3 minutes 7.3- Matériel et réactifs Banc d essai 7 erlenmeyers de 500 ml 12 seringues Polymère : Magnafloc LT27 Turbidimètre Ensemble de mesure de l alcalinité Système de siphon 7 béchers de 1 litre 7 béchers de 500 ml Coagulant : Alun Microsable (85 ou 135 m de diamètre) Spectrophotomètre ph-mètre Chronomètre et thermomètre
15 7.4- Mode opératoire A. Analyse de l eau brute Mesurez le ph, l alcalinité, la couleur, la turbidité et la température de l eau brute. B. Analyse de l eau décantée Mesurez le ph, l alcalinité, la couleur, la turbidité et la température de l eau décantée. Notez les produits utilisés ainsi que leur dosage. C. Détermination des dosages optimaux de coagulant et d aide floculant Pour ce laboratoire, les dosages étudiés seront : Bécher No Dosage Coagulant Dosage Aide-floculant 1 à 3 Dosage optimal TFB1 0,3 mg/l, 0,5 mg/l et 0,7 mg/l 4 à 6 (Dosage optimal TFB1) (10 mg/l) 0,3 mg/l, 0,5 mg/l et 0,7 mg/l 1) Pour le dosage d alun, vous utiliserez la solution-mère de 10 g/l d alun préparée par le technicien. 2) Calculez le volume de solution-mère d alun à injecter dans chaque bécher afin d obtenir le dosage désiré. Préparez vos doses de coagulant dans les seringues appropriées. 3) Pour le dosage de polymère, vous utiliserez la solution-mère de 500 mg/l de Magnafloc LT27 préparée par le technicien. 4) Calculez le volume de solution-mère de polymère à injecter dans chaque bécher afin d obtenir le dosage désiré. Préparez vos doses d aide-floculant dans les seringues appropriées. 5) Préparez six coupoles contenant chacun environ 5 g de microsable. 6) Versez 1 litre d eau brute dans chacun des béchers à l aide d un cylindre gradué. 7) Placez les béchers sur le banc d essai de façon à positionner les pales des agitateurs à environ 0,5 cm du fond de ceuxci. Il peut être nécessaire de relever les béchers. 8) Démarrez doucement l agitation et ajustez la vitesse de rotation à 150 RPM. 9) Ajoutez simultanément à chaque bécher le volume de coagulant (alun) approprié à l aide des seringues préparées au point 2). 10) Laissez agiter pendant 2 minutes. 11) Ajoutez simultanément à chaque bécher 5 g de microsable et 50% du volume de polymère approprié à l aide des seringues préparées au point 4). 12) Laissez agiter pendant 2 minutes. 13) Ajoutez simultanément à chaque bécher le reste du volume de polymère approprié à l aide des seringues préparées au point 4). 14) Laissez agiter pendant 6 minutes 15) Arrêtez l agitation et laissez décanter pendant 3 minutes. 16) Siphonnez individuellement le surnageant de chaque bécher à 4 cm sous la surface de l eau. Vous devez recueillir séparément 300 à 400 ml de surnageant par bécher dans un erlenmeyer de 500 ml (6 béchers = 6 erlenmeyers). FAIRE ATTENTION DE NE PAS REMETTRE LES FLOCS EN SUSPENSION LORS DE CETTE MANIPULATION.
16 17) Mesurez le ph, l alcalinité (mg/l CaCO 3 ), la couleur et la turbidité sur chacun des échantillons. CARACTÉRISTIQUES DE L EAU BRUTE AVANT TRAITEMENT Date : Heure : Eau brute (source) : Lieu de prélèvement : Opérateur(s) : Analyse : Paramètre Lecture Appareil (marque/modèle) Couleur (UCV) Turbidité (UTN) ph Alcalinité (mg/l CaCO 3 ) Température initiale ( C) Température finale ( C) Observations :
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18 TEST DE FLOCULATION EN BÉCHER : IMPACT D UN AIDE-FLOCULANT Coagulant : Date : Aide-floculant : Eau : Paramètre Concentration Coagulant (mg/l) Concentration Aide-floculant (mg/l) Formation du floc (après 30 minutes) Sédimentation (après 30 minutes) Turbidité résiduelle (UTN) Couleur résiduelle (UCV) ph Alcalinité résiduelle (mg/l CaCO 3 ) Bécher 1 2 3 4 5 6 Formation du floc (cote) Sédimentation (cote) 0 : Pas de floc : eau claire 0 : Aucune 1 : Eau trouble : pas de floc visible 1 : Lente : incomplète après 30 minutes 2 : Petits points 2 : Rapide : complète en 20 minutes 3 : Flocons distincts (0,5 mm) 3 : Très rapide : complète en 10 minutes 4 : Gros flocons (1 mm) Observations :
19 BIBLIOGRAPHIE BEAUDRY, J-P. Traitement des eaux. Éditions Le Griffon d Argile, Sainte-Foy (Québec), 1984, 231 p. BRIÈRE, F.G. Distribution et collecte des eaux (2 e Polytechnique, Montréal (Québec), 2006, 422 p. éd.). Canada : Presses Internationales DESJARDINS, R. Le traitement des eaux (2 e éd.). Canada : Presses Internationales Polytechnique, Montréal (Québec), 2007, 304 p. TARDAT-HENRY, M. Chimie des eaux (2 e éd.). Sainte-Foy (Québec) : Les éditions Le Griffon d argile, Montréal (Québec), 1992, 537 p. American Water Works Association. Manuel M37 : Contrôle de l opération des procédés de coagulation et de filtration (3 e éd.), traduit par Réseau Environnement, Montréal (Québec), XVI, 2011, 223 p.