OA11750A

OA11750A - Améliorations apportées au procédé de clarification des eaux de surface destinées à la consommation h umaine à partir des pulpes de terre jaune.

Info

Publication number: OA11750A
Application number: OA1200100186A
Authority: OA
Original assignee: Koya Dzere
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2005-05-23

Description

2 117 50 L’invention se rapporte à un nouveau procédé de clarification des eaux desurface destinées à la consommation humaine à partir de suspensions aqueusesde terre jaune, argile de type Mont Montmorillonite, pour favoriser les opérationsd’épuration des eaux de surface, à savoir : coagulation, floculation,décantation,filtration et désinfection. L’invention vise la réduction desconsommations et des coûts des réactifs classiques de clarification des eaux desurface d’une part, la stabilisation et 'amélioration de la qualité des eaux àdistribuer sans nouvel investissement ni de génie civil, ni énergétique d’autre part.Ceci, par association ou non des pulpes de terre jaune avec les produitsclassiques de clarification des eaux de surface que sont : le sulfate d’alumine, lachaux éteinte et l’hypochlorite de calcium.

La clarification de l’eau, d’une manière générale, est l’ensemble des opérationspermettant d’éliminer les matières en suspension et les polluants aussi bienorganiques que minéraux, par adsorption ou formation de complexes, etc.(Degrémont 1989).

On notera que la coagulation- floculation est un ensemble d’opérations quifacilitent l’élimination des matières colloïdales. Cette élimination est réalisée lorsde l’étape ultérieure de séparation solide - liquide : décantation, flottation oufiltration. L’élimination des matières dissoutes nécessite pour chaque espèce, untraitement spécifique, précédé ou non d’une coagulation-floculation-décantation (flottation). Les colloïdes sont des particules si petites qu’ellesne peuvent décanter naturellement, du fait de leur faible poids, dans des limitesde temps raisonnables. Et, il est inconcevable de distribuer une eau contenantdes colloïdes. C’est pourquoi, un certain nombre d’opérations pour clarifier leseaux de surface destinées à la consommation humaine s’avèrentindispensables. Il s’agit notamment de : - La coagulation ou la déstabilisation des particules colloïdales par additiond’un réactif chimique, le coagulant ; - La floculation ou l’agglomération des particules déchargées en micro flocs,puis en flocons volumineux facilement décantables, le floc.

Cette opération peut être améliorée par un autre réactif désigné floculant ouadjuvant de floculation. Il peut être minéral, organique ou naturel. De façonclassique, ces opérations s’accomplissent avec l’aide de substanceschimiques dont les plus courantes sont des sels de fer et d’aluminium et/oudes poly électrolytes de synthèse (coagulants) ; l’alginate de sodium, lasilice activée (adjuvants de floculation) et bien d’autres. La neutralisation dela charge superficielle négative du colloïde est réalisée par l’ajout de cationsdans le cas où l’on utiliserait des coagulants minéraux. Il convient ici de noterque la coagulation est d’autant plus efficace que la valence du cation estélevée (Théorie de Schulze - Hardy). Le but poursuivi dans la première étape dela clarification des eaux de surface, en tenant compte de la qualité de l’eaubrute dont on dispose et de la quantité de coagulant à utiliser ( qui peut êtreimportante ), est l’élimination de la majeure partie du floc lors de cette étape aucours de laquelle s’effectue la séparation solide - liquide par décantation avantla filtration. A défaut, le filtre serait trop rapidement colmaté et l’on serait obligéde le laver trop fréquemment, en conséquence, il en résulterait une perte en eauintolérable économiquement. r 3 117 5 0 A cet égard, le choix du coagulant est fonction de son efficacité, de soninnocuité et de son coût. D’où l’intérêt des pulpes de terre jaune, préconiséesdans la présente invention, pour favoriser les opérations de clarification deseaux de surface.

En effet, sous leurs formes actuelles, les pulpes de terre jaune, en tant quecoagulants non organiques, permettent de neutraliser directement les colloïdes.

Par conséquent, l’apport de terre jaune particulièrement sous les formes pulpeneutralisée de terre jaune, pulpe acidifiée de terre jaune, pulpes activées(acidifiées et neutralisées ) de terre jaune, pulpe simple de terre jaune et pulpelourde de terre jaune, est envisagé comme un nouveau procédé d’épurationperformant, conduisant à : - La stabilisation et à l’amélioration de la qualité deseaux produites par une parfaite élimination des polluants responsables de lacouleur et de la turbidité des eaux de surface ; - La réduction significative de la consommation des produits classiques detraitement d’eau et donc des charges additionnelles, ce qui induitévidemment une économie substantielle de devises, étant donné que cesproduits sont importés et que l’achat de ceux-ci est une dépense obligatoire ; - L’exploitation aisée des installations ( même surexploitées ) ; - La simplification de certaines tâches dévolues aux conducteurs depompage.

Le procédé selon l’invention consiste à injecter des suspensions aqueusesde terre jaune préalablement préparées ou à passer l’eau à traiter sur filtre ayantcomme matériaux filtrant l’une ou l’autre des pulpes de terre jaune pour favoriserles opérations de clarification des eaux de surface que sont : la coagulation, lafloculation, la décantation et la filtration. Selon l’invention, la préparation in situ à20-25°C des suspensions aqueuses de terre jaune tamisée et broyée s’effectuedans un rapport OH/TJ, TJ/AL ou TJ/HCIO pouvant varier de 0,1 à 3. La poudreainsi obtenue donne naissance à huit variantes. Notamment : - La pulpe simple de terre jaune ou SP de TJ correspondant à un amalgame faitde : terre jaune + eau claire (coagulant unique, principal ou d’appoint, floculantminéral) ; - La pulpe lourde de terre jaune ou LP de TJ correspondant à une pâte onctueuseet fluide faite d’un amalgame de : terre jaune + eau claire (coagulant unique,principal ou d’appoint, adjuvant minéral) ; - La pulpe acidifiée de terre jaune ou ACF de TJ correspondant à un amalgamefait de : terre jaune + eau claire+ sulfate d’alumine (coagulant unique, principalou d’appoint, floculant minéral) ; - La pulpe neutralisée ou Hydrofloc alpha de terre jaune ou HFa de TJcorrespondant à un amalgame fait de : terre jaune + chaux éteinte + eau claire(coagulant unique, principal ou d’appoint, floculant minéral) ;

La pulpe neutralisée ou Hydrofloc bêta de terre jaune ou HFp de TJcorrespondant à un amalgame fait de : terre jaune + calcaire + eau claire( coagulant unique, principal ou d’appoint, floculant minéral ) ; - La pulpe activée acidifiée de terre jaune ou AFA de TJ correspondant à unamalgame fait de : terre jaune+ sulfate d’alumine + hypochlorite de calcium + eauclaire (coagulant unique, principal ou d’appoint, floculant minéral, oxydant) ; - La pulpe activée simple neutralisée à la chaux ou AFS1 de TJ correspondant àun amalgame fait de : terre jaune + chaux + hypochlorite de calcium +eau claire (coagulant unique, principal ou d’appoint, floculant minéral ) ; - La pulpe activée simple à base de calcaire ou AFS2 de TJ correspondant à un c 4 11750 amalgame fait de : terre jaune + calcaire + hypochlorite de calcium + eau claire (coagulant unique, principal ou d’appoint ).

Le procédé, selon une caractéristique de l’invention se singularise par le fait qu’àla base des réactions, on distingue la formation de complexes organométalliques.On note aussi que le pouvoir complexant de certaines substances contenuesdans l’eau à traiter et/ou dans les pulpes de terre jaune entraîne la présence dedeux groupements fonctionnels juxtaposés dans la molécule organique : soit deuxCOOH, soit un COOH et un OH, soit encore deux OH. Ce qui aboutit à laformation de trois sortes de complexes aux propriétés différentes, agissantsimultanément :

R R complexes vrais CO2 complexes sels

R

CO2 M(OH)3 complexes d’adsorption

Complexes d’adsorption :

Lorsque les éléments minéraux absorbants sont abondants (argiles,oxyhydroxydes), l’insolubilisation a lieu très rapidement par adsorption et,lorsque par contre le milieu minéral est pauvre en argiles et oxyhydroxydesactifs, la précipitation est accélérée à la surface des hydroxydes préalablementprécipités. Là réside la différence qualitative des réactions par suite d’apport de diversespulpes de terre jaune.

Complexes sels :

Ils se présentent sous la forme hydroxylée AI(OH)2+ ou Fe( OH)2+ pour lesplus mobiles et à rapport cation/anion faible, et, AI(OH) ou Fe( OH) pour les plusstables et à rapport cation/anion élevé. Etant moins stables, ils sont insolubilisésplus rapidement et précocement que les complexes vrais.

Les cations complexés se transforment en se polymérisant et en perdant leurscharges d’après le schéma suivant : AL3+ -► AI(OH)2+ -► AI(OH)+2 -► A^OH^

Complexes vrais ►'Complexes sels ► Complexes d’adsorption D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de ladescription qui va suivre, faite en regard du dessin annexé illustrant un mode deréalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif. Sur ce dessin : la figure 1 représente une vue schématique du mode opératoire de clarification deseaux (voir Planche unique : figure 1 en annexe).

La mise en œuvre du procédé s’effectue en trois phases distinctes et selon lemode opératoire suivant : r 5 117 5 0

Phase 1 : 1- Sécher, broyer ou tamiser (phase 1, fig1) la terre jaune. Le tamisage devantêtre fait avec un tamis fin, moins d’un millimètre de diamètre de mailles (30 à 50μιτι de préférence en finition), pour ne disposer que de particules d’argiles fineshydratables et de sables fins (donnant lieu à un adjuvant minéral du genrebentonite) ; 2 - Procéder à la pesée : la masse à peser est fonction du rapport OH/TJ, AI/TJ ou HCLO/TJ qui est lui-même fonction des essais de floculation en laboratoire et dudébit d’eau à traiter, donc de l’efficacité attendue ( préparation in situ ). Ce rapport peut varier de 0,1 à 3 ; 3 - Commencer le remplissage du bac de préparation (eau claire) et y faire tomber,en pluie, la quantité de terre jaune sèche tamisée ( ou broyée ) précédemmentpesée en maintenant l’agitation pendant le remplissage et l’utilisation : lasuspension est alors prête à l’emploi (cas de la pulpe simple de TJ ) en associationavec les réactifs classiques. Il est possible de ne prélever que la phase liquide pourla clarification des eaux mais alors, les résultats seraient moins bons. L’injection seferait avant le décanteur ; 50 litres, la terre jaune sèche tamisée et broyée en lamélangeant, par battage, à de l’eau (claire de préférence ) dans un rapport quedéfinit au mieux l’expérience de l’opérateur, dans le but d’obtenir une pâteonctueuse et fluide. La pulpe lourde de TJ est alors prête à l’emploi en associationavec les réactifs classiques. L’injection se ferait par dispersion dans la zone demûrissement du floc ; 4- Peser ensuite la masse de sulfate d’alumine, de chaux éteinte ou d’hypochloritede calcium (la masse à peser étant fonction du rapport AI/TJ, OH/TJ ou HCIO/TJconsidéré), puis la faire tomber en pluie dans le bac de préparation pendant leremplissage selon que l’on a choisi l’emploi de l’ACF de TJ, l’HFa ou β de TJ ouencore l’AFA, l’AF S1 ou 2 de TJ et si l’on a pris l’option de la préparation in situ.Ces mélanges peuvent être faits au moment du conditionnement de ces pulpesde TJ en usine. L’injection se ferait avant le décanteur.

Notons que la forme matériaux de filtration peut être obtenue pour toutes cesvariantes.

Il en est de même des formes "comprimés" et "poudre en capsules" pour usageindividuel.

Phase 2 : 1- Vérifier (fig.1) que le circuit d’injection de chaux est fonctionnel, puis régler lapompe doseuse de la pulpe de TJ considérée en même temps que celles desulfate d’alumine et de pré chloration si cela s’impose. Puis, mettre en marche lespompes doseuses en maintenant l’agitation dans le bac de préparation de lapulpe de TJ.Il en est de même si l’on utilise les pulpes activées de terre jaune. 2- Corriger le réglage des pompes doseuses en fonction des résultats obtenus ;

Phase 3 :

En phase 3, c’est-à-dire au niveau du décanteur où se produit la floculationdécantation, le processus se déroule automatiquement jusqu’au point dedésinfection souhaitée de l’eau filtrée qui sera stockée par la suite, prête à êtrelivrée à la consommation humaine.

Les meilleurs résultats étant obtenus quand nous utilisons les suspensions,nous les recommandons pour plus d’efficacité en vue d'une clarification parcoagulation - floculation - décantation.

Pour les formes matériaux de filtration, il suffit alors de faire passer l’eau sousanalyse dans le filtre en contenant. / 6 117 5 0

Pour les formes à usage individuel, il suffit d’écraser le comprimé ou d’ouvrir lacapsule, d’en verser la poudre dans l’eau à clarifier, d’agiter rapidement pendantdeux à cinq minutes et de laisser décanter ;

Selon certaines caractéristiques particulières du procédé, on note qu’avec :

a) - la pulpe lourde de terre jaune ou LP de TJ L’on constate les avantages ci-après : - Formation idéale et rapide d’un floc dense et lourd ; - Plage de pH de floculation identique à celle du sulfate d’alumine ; - Décantation de très bonne qualité garantissant une filtrabilité requise del’eau décantée ; - Parfaite élimination de la couleur, de la turbidité, des matières organiques,des goûts, des odeurs et de certains germes et virus ; - Economie, voire élimination possible des réactifs classiques de clarificationd’eau ; - Possibilité de doubler la charge hydraulique initiale sans modification de lachaîne de traitement existante et sans détériorer la qualité du produit fini ; - Il peut être employé comme coagulant unique, principal ou d’appoint, ouadjuvant de floculation ; - Faible demande en réactifs classiques et en LP de TJ ; - Faible teneur de coagulant résiduel ; - Eau conforme aux niveaux guides de l’OMS de 1993.

b) - la pulpe simple de terre jaune ou SP de TJ

Elle présente les atouts ci-après : - Formation idéale et rapide d’un floc dense et lourd ; - pH identique à celle caractérisant le sulfate d’alumine et compris entre pH6,0 et pH 7,4 ; - Décantation rapide, garantissant une parfaite filtrabilité de l’eau décantée ; - Bonne élimination de la couleur, des goûts et des odeurs, des matièresorganiques et de certains germes et virus ; - Réduction des besoins en produits classiques de traitement d’eau desurface : • 40 à 55% de la demande en sulfate d’alumine ; • 30 à 60% de la demande en chaux éteinte ; - Possibilité de doubler la charge hydraulique sans nouvel investissement ; - Est injectée dans l’eau à traiter à partir du dispositif de dosage de sulfated’alumine ou de celui de lait de chaux ;

Faible teneur de coagulant résiduel ; - Eau conforme aux directives de l’OMS de 1993, donc amélioration desrapports avec le consommateur

Les résultats du tableau ci-dessous, obtenus en usine à Owando, illustrent cequi précède :

Sans pulpe de terre jaune Avec pulpe de terre jaune

Sulfate d’alumine (g/m ) 80 à 120 40 à 70 Chaux éteinte (g/m 3 ) 50 à 80 30 à 50 Pulpe de terre jaune 2à 15 pH eau floculée 4,5 à 5,6 5,0 à 7,6 Odeur persistante sans Couleur ( mg/l éch. au Pt - Co ) 40 à 80 Oà 10 / 7 117 5 0

Goût

Turbidité (NTU) léger sans 0,5 à 1,5

c)- La pulpe acide de terre jaune ou AC Floc de TJ

Nous sommes sensiblement dans les mêmes conditions que pour la pulpesimple de terre jaune. L’appel de chaux est relativement moins important. Lavitesse et la qualité des réactions sont meilleures.

La demande en sulfate d’alumine et en terre jaune est plus faible que pour lapulpe simple de TJ, d’où la présence d’une moindre teneur en coagulantrésiduel.

Il peut être employé seul comme coagulant unique ou associé comme coagulantprincipal ou d’appoint. C’est aussi un adjuvant minéral.

Dans le cas de la pulpe acide de terre jaune, l’on accroît l’efficacité en acidifiantle silicate d’alumine contenu dans la terre jaune pour obtenir un coagulant detype polyhydroxysilicosulfate d’aluminium de formule chimique (OH ), >m mAI S ( SiO3)m

l ( SO4)P

Le rapport TJ/AI est déterminant.

Cependant, la vitesse et la qualité des réactions sont bien moindres quand onutilise la phase aqueuse.

c-) Les pulpes neutralisées de terre jaune ou Hvdrofloc de TJ

Elles présentent les atouts ci-après : - Une mise en œuvre simple, après tamisage, par le circuit d’injection du laitde chaux, en suspension aqueuse. La solution aqueuse est de moindreefficacité ; - Un faible besoin en produits classiques et en terre jaune ;

Une efficacité accrue par : • L’effet floculant minéral ; • Les propriétés adsorbantes des terres argileuses ; • La coagulation directe des colloïdes ; • La bonne qualité de la floculation (flocs fins et lourds) ; • Faible production de boues ; • pH compris entre pH 4,0 et pH13, 0 ; • Floculation instantanée ; - Dans certains cas, il peut être employé seul (sans combinaison avec uncoagulant connu) et n’a pas besoin d’un adjuvant (il est lui-même unadjuvant de floculation performant) ; - L’eau peut être produite directement à l’équilibre pour la lutte anticorrosion.De même, il y a production de silicates de calcium utilisés par certainsspécialistes pour la protection intérieure des canalisations contre lacorrosion de celles-ci ;

La présence d’un faible résiduel de coagulant dans l’eau traitée ;

Une moindre pollution de la nature du fait des faibles doses utilisées. - Réduction des taux et coûts de traitement, donc des dépenses obligatoires(habituellement très élevées) auxquelles sont confrontés les producteursd’eau du Sud qui doivent importer tous les intrants ; - Permet une gestion plus souple des approvisionnements ; - Eau produite conforme aux directives de l’OMS de 1993. 8 117 5 0

Le fait que la plage de pH de floculation de l’Hydrofloc de TJ soit comprise entrepH 4 et pH 13 fait penser, par analogie au polychlorure basique d’aluminium.Mais, il n’en est rien car, on serait dans ce cas en présence d’une macrofloculation. 5 En nous inspirant de la réaction de neutralisation du sulfate d’alumine à la soude caustique, nous allons procéder à celle du silicate d’alumine à la chaux éteinte.Nous disposerons de polymères d’hydroxyde d’aluminium. Ces polymères varienten fonction du rapport OH/AI : - Pour un rapport compris entre 0,1 et 2,1, on a les espèces :

10 [AI10(OH)22]8+, 16H2O - Pour un rapport compris entre 2,2 et 2,7, on a les espèces :

[ AI13(OH)30 Γ - 18H2O ; [ AI24(OH)60 ]12+, 24H2O et [ AI54(OH)144 ]18+, 36H2O - Pour un rapport compris entre 3,0 et 3,3 nous n’avons plus de charge positive.Les hydroxydes sont de la forme AIp(oh)3p 15 OH/A1= 0,1 - 2,1 00 OH/A1= 2,2 - 2,7

OH/A1= 3,0 - 3,3

Cristaux d’hydroxyde d’aluminium

r— -, 8+ r— -, 9+ 12+ — — 18+ A1,o(OH)22 16h2o A113(OH)3o isH2O ; A124(OH)60, AO ; Al54(OH)i44 , 3( H2O — — - — “J — —J O,8+/A1 0,7+/Al 0.57A1 O,33+/A1

A1p(OH)3P 0+/Al

Si on regarde la charge ramenée à un atome d’aluminium, on a suivant les cas :0.8+/AI; 0.7+/AI; 0.5+/AI; 0.33+/AI et 0+AI

Chaque aluminium portant une charge de bord

AA 4 γν 4 9 117 5 0

d) Pulpes activées de terre jaune ou AF S1 et 2 de TJ

Nous sommes sensiblement dans les mêmes conditions que pour l’Hydrofloc deTJ avec en plus : - Apport des propriétés oxydantes reconnues à l’hypochlorite de calcium ; 5 - Apport des ions OH contenus dans l’hypochlorite de calcium, dans la chaux ou le calcaire pour la potabilisation des eaux douces et agressives ; - Ne nécessite aucun nouvel investissement pour sa mise en œuvre ; - Cette variante des pulpes de terre jaune est en plus très indiquée pour lapotabilisation des eaux en milieu rural et dans les cas types d’hydraulique 10 de catastrophe ( naturelle ou regroupement de populations à la suite d’événements). e) - La pulpe activée acidifiée

Elle amplifie l’action de l’ACF de TJ par l’apport d’hypochlorite de calcium. Lademande en sulfate d’alumine et en hypochlorite de calcium est très faible.

Claims

ίο 11750 REVENDICA TIONS 1- L’invention se rapporte à un procédé de clarification des eaux de surfacedestinées à la consommation humaine à partir de suspensions, de « capsules àpoudre », de comprimés et de galets de pulpes de terre jaune, argiles de typeMontmorillonite, favorisant les opérations de coagulation, floculation, décantation,filtration et L’invention désinfection, caractérisé en ce que la clarification des eauxest le fait de la coagulation directe des colloïdes responsables de la couleur et dela turbidité de l’eau.
2- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les suspensionsaqueuses coagulantes et floculants (lourde, simple, acide, basiques ou activées)peuvent être obtenues in situ à 20 -25°C : pour la pulpe lourde de terre jaune parla fabrication d’une pâte onctueuse et fluide issue du mélange de terre jaune etd’eau claire ; pour la pulpe simple de terre jaune par la préparation d’unesuspension aqueuse née du mélange de terre jaune et d'eau claire ; pour la pulpeacidifiée de terre jaune par mélange de terre jaune avec de l’eau claire et dusulfate d’alumine ; pour les pulpes neutralisées de terre jaune par le mélange deterre jaune avec de l’eau et de la chaux éteinte ou du calcaire et, pour les pulpesactivées de terre jaune par mélange de terre jaune avec de l’eau claire, del’hypochlorite de calcium et de la chaux ( respectivement de calcaire et/ou desulfate d’alumine ).
3- Procédé selon les revendications 1et 2 caractérisé en ce que les pulpes deterre jaune peuvent faire l’objet d’un conditionnement en usine pour donner dessuspensions, des poudres en capsules, des comprimés ou des galets coagulantset floculants de même efficacité que celles de la revendication 2.
4- Procédé selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le pouvoircomplexant de certaines substances contenues dans les pulpes de terre jaunepermet la formation de complexes organométalliques aux propriétés différentesagissant simultanément et essentiellement sur les charges électriques.
5- Procédé selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que sa mise enœuvre associe les propriétés adsorbantes reconnues aux argiles à cellesreconnues aux floculants minéraux (sables fins).
6- Procédé selon les revendications 1, 2, 3, 4 et 5, caractérisé en ce que sa miseen œuvre permet l’augmentation de la cinétique des réactions d’où son efficacitéaccrue en vue de la stabilisation et l’amélioration de la qualité des eaux produitesmême dans les conditions de surexploitation intense des ouvrages de transfertd’eau (décanteurs et filtres).
7- Procédé selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5et 6, caractérisé en ce que sa miseen œuvre permet d’accroître jusqu’à deux fois la charge hydraulique initiale sansnouvel investissement de génie civil ni détériorer la qualité de l’eau ainsi traitée.
8- Procédé selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5,7et 7, caractérisé en ce que samise en œuvre ne nécessite aucun nouvel investissement électromécanique car,il peut être injecté dans l’eau à traiter à partir des dispositifs d’injection existants :sulfate d’alumine ( pour la SP de TJ et l’ACF de TJ), lait de chaux ( pour l’HF deTJ), pré chloration ( pour l’AFA ou AFS 1 et 2 de TJ).
9- Procédé selon les revendications 1,2,3, 4, 5, 6,7 et 8, caractérisé en ce que samise en œuvre permet la réduction de la demande en réactifs classiques detraitement des eaux et donc des charges additionnelles.