Flottation
La flottation à air dissous (DAF) est une méthode avancée de traitement de l’eau, basée sur le principe de la remontée accélérée des particules polluantes. Des bulles d’air microscopiques sont introduites dans les eaux usées : elles se fixent aux impuretés et les entraînent vers la surface. L’eau pressurisée saturée d’air, appelée "eau blanche", indispensable à ce procédé, est produite en continu en saturant d’air sous haute pression une partie de l’eau épurée. Les polluants forment une couche de boues flottantes, facilement raclée pour un traitement ultérieur, tandis que l’eau épurée est évacuée. La DAF est particulièrement efficace pour éliminer les matières en suspension, les graisses et les huiles, avec des rendements très élevés. L’élimination complète des nutriments solubles, comme l’azote et le phosphore, nécessite toutefois souvent des procédés chimiques complémentaires. Le fonctionnement précis, les taux d’élimination et l’optimisation chimique de l’élimination du phosphore sont détaillés dans les sections ci-dessous.
Principe général
L’installation de flottation à air dissous (« Dissolved Air Flotation ») repose sur le principe de la remontée accélérée des particules polluantes, grâce à l’injection de bulles d’air minuscules qui se fixent à ces particules. Un système de répartition distribue les eaux usées sur toute la largeur de l’installation, et de l’eau pressurisée est également injectée au niveau de cette entrée.
L’eau pressurisée, essentielle à une bonne flottation, est produite en continu par la recirculation d’une partie de l’eau épurée (environ 30 %). Une pompe centrifuge renvoie ce flux partiel vers un ballon de pressurisation et assure une pression optimale pour la dissolution de l’air dans l’eau. De l’air comprimé est également dosé de manière contrôlée dans ce ballon, afin d’obtenir une eau saturée d’air de façon optimale. Cette eau saturée d’air est ensuite renvoyée du ballon vers la flottation. Sous l’effet de la chute de pression (ou détente) de cette eau, de 5-6 bar à 1 atm, l’air est libéré sous forme de bulles minuscules de 30 à 50 μm : c’est ce qu’on appelle l’eau pressurisée ou « eau blanche ».
Ces bulles d’air se fixent aux particules polluantes et les entraînent vers la surface, où elles forment une couche de boues. Des racleurs évacuent cette couche vers le compartiment à boues. Les boues en excès sont ensuite pompées de ce compartiment vers une cuve tampon. Ces boues sont ensuite déshydratées par une centrifugeuse ou une presse à vis, ou enlevées par un collecteur agréé.
Les particules plus lourdes, comme le sable, ne flottent pas, mais décantent. Des vannes de fond sont prévues au bas du cône de l’installation. Ces vannes à commande pneumatique s’ouvrent à intervalles réguliers. La pression de l’eau dans la flottation pousse les boues décantées vers le compartiment à boues, d’où elles sont pompées vers la cuve à boues.
L’eau clarifiée de la flottation s’écoule par le compartiment d’effluent vers une cuve de stockage ou, le cas échéant, vers le point de rejet.
Élimination des phosphates
Lors de la coagulation au chlorure ferrique (FeCl₃), l’orthophosphate (PO₄³⁻) est éliminé par la formation de précipités insolubles de phosphate de fer. La réaction chimique exacte dépend du pH de l’eau et des concentrations des ions en présence, mais elle peut être représentée de manière simplifiée comme suit :
Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄ (s)
L’ion ferrique (Fe³⁺) réagit avec l’ion phosphate (PO₄³⁻) pour former du phosphate de fer solide (FePO₄), qui précipite puis est capté dans les flocs formés lors de la floculation.
Pendant la floculation, le polymère joue un rôle important dans le grossissement et la stabilisation des flocs. Il s’adsorbe à la surface des précipités de phosphate de fer et des autres particules, qui s’agglomèrent ainsi en flocs plus gros. Ces flocs, plus lourds, décantent ou remontent plus rapidement vers la surface, selon leur densité par rapport à celle de l’eau.
Les mécanismes précis de la floculation sont complexes et dépendent du type de polymère utilisé. On admet généralement que les polymères possèdent des groupes fonctionnels capables de se lier à la surface des particules, formant ainsi une sorte de « pont » entre elles.
Les facteurs suivants influencent l’élimination de l’orthophosphate :
- pH : le pH de l’eau influence fortement la solubilité du phosphate de fer. À un certain pH, la solubilité est minimale et l’élimination des phosphates est la plus efficace.
- Dosage du chlorure ferrique : un dosage trop faible entraîne une précipitation insuffisante des phosphates, tandis qu’un dosage trop élevé peut provoquer une production excessive de boues.
- Type de polymère : le choix du polymère est déterminant pour l’efficacité de la floculation.
- Temps de mélange : un temps de mélange suffisant est nécessaire au bon déroulement de la coagulation et de la floculation.
L’élimination de l’orthophosphate lors de la coagulation et de la floculation est un processus complexe, qui fait intervenir plusieurs phénomènes chimiques et physiques. La formation de précipités insolubles de phosphate de fer, suivie d’une floculation aux polymères, permet d’éliminer des quantités importantes de phosphore des eaux usées.
Que retire une DAF, et que ne retire-t-elle pas ?
La DAF est une excellente méthode pour éliminer les particules en suspension, les graisses et les huiles, mais elle ne suffit pas toujours à éliminer complètement l’azote et le phosphore. Son efficacité pour ces nutriments dépend de plusieurs facteurs et de la composition spécifique des eaux usées. Une élimination complète de l’azote et du phosphore nécessite souvent des procédés complémentaires, comme la nitrification et la dénitrification biologiques pour l’azote, et la déphosphatation biologique pour le phosphore.
Taux d’élimination
- MES : la DAF permet d’atteindre des taux d’élimination des matières en suspension de 90 % et plus. C’est donc une technique très efficace pour le prétraitement des eaux usées avant une épuration biologique.
- DCO : la DAF peut éliminer des quantités importantes de DCO, en particulier lorsqu’il s’agit de graisses, d’huiles et de particules en suspension. Des taux d’élimination de 50 à 80 % sont réalisables, et peuvent être plus élevés selon la situation.
- NT : pour l’azote total, les taux d’élimination par DAF sont généralement plus faibles que pour la DCO. Les composés azotés solubles, comme les nitrates et les nitrites, sont moins bien éliminés. Des taux de 10 à 30 % sont réalistes, mais ils peuvent être plus élevés pour l’azote lié à la matière organique.
- PT : la DAF peut éliminer une partie du phosphore total, surtout lorsque celui-ci est lié à des particules solides. Des taux d’élimination de 20 à 50 % sont possibles, mais ils dépendent de la forme sous laquelle le phosphore est présent.
Une flottation peut également éliminer d’autres composants, mais nous préférons toujours les évaluer au cas par cas. N’hésitez pas à nous contacter à ce sujet !