[PDF] CARACTÉRISATION ET TRAITEMENT PAR COAGULATION

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J.Soc.Alger.Chim., 2010, 20(2), 83-93. Journal de la Société Algérienne de Chimie

83

CARACTÉRISATION ET TRAITEMENT PAR

COAGULATION-FLOCULATION D'UN EFFLUENT DE LAITERIE

R. AYECHE

1 , A. BALASKA 2 1

Laboratoire de génie de l'environnement, département génie des procèdes, université Badji

Mokhtar, Annaba B.P.12, 23000 Annaba, Algérie.

2

Unité de recherche appliquée en sidérurgie métallurgie (U.R.A.S.M/C.S.C Annaba), BP. 196,

23000 Annaba, Algérie.

(Reçu le 26/10/10, accepté le 16/01/11) (Article présenté aux

CIEM-2010)

Al2 (SO 4 3

ϭ ήϴΠϟ΍Ca(OH)

2.

ABSTRACT:

The objective of this study is to clarify the wastewater of the dairy "EDOUGH" by a physical-chemical treatment, using coagulation-flocculation process, using two commonly coagulants used in water treatment. In this case Aluminium sulfate Al 2 (SO 4 3 and lime

Ca(OH)2

had been tested as a coagulants in the presence of a flocculating agent (PE14). The tests of process showed that the two coagulants used would reduce: the suspended solids (MES), organic matter, nitrogenous and phosphated compounds. The best treatment result was recorded in the case of lime with an abatement of 92% of MES and 83% of Pt, which guarantees the respect Algerian standards for these two parameters.

RESUME :

L'objectif de cette étude est de clarifier les eaux usées de la laiterie "EDOUGH" par

un traitement physico-chimique en procédant à une coagulation-floculation douce ; à l'aide de

deux coagulants communément utilisés dans le traitement des eaux. Dans ce cas ; le sulfate d'aluminium Al2 (SO 4 3 et la chaux Ca(OH) 2 ont été testé en présence d'un floculant PE14. Les essais de traitement ont montré que les deux coagulants utilisés permettraient de

réduire : les matières en suspension (MES), la charge organique, les éléments azotée et

phosphorée. Le meilleur résultat a été enregistré par la chaux avec un abattement de 92 % des

MES et 83 % de Pt (phosphate totale), ce qui garantit le respect des normes algérienne en vigueur pour ces deux paramètres.

Mots clés : Coagulation-floculation, Effluent laitier, Matière Organique, Eau Usée, Pollution.

R. AYACHE,...

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INTRODUCTION

La laiterie "EDOUGH» comme toutes les industries agro-alimentaires utilise

énormément d'eau pour la fabrication du lait et de ses dérivés ainsi que pour le nettoyage et la

désinfection. L'apport de l'eau du barrage ne suffit plus aux besoins croissants en eau de cette

unité. Ceci est d'autant plus inquiétant lorsqu'on sait qu'une partie importante de cette eau se

retrouve sous forme d'eaux résiduaires non réutilisées, pouvant engendrer une pollution néfaste au milieu récepteur. Cette usine qui fonctionne en trois postes de 8 h durant toute l'année, s'approvisionne avec de l'eau potable à raison de 632 m 3 /j, ce qui donne un rapport litre d'eau

consommée/litre de lait traité égal à 2,9. La grande partie de ces eaux (85 %) est restituée sous

forme d'eaux usées qui sont directement rejetées dans le réseau d'assainissement communal sans le moindre traitement [1]. Une étude réalisée déjà dans notre laboratoire sur le degré de pollution des eaux

résiduaires de la laiterie, a montré une pollution évidente [2, 3, 4, 5]. Dans ce cas le traitement

de ces eaux s'impose pour préserver le milieu naturel [6, 7] Il n'existe, à l'heure actuelle de filière de traitement adaptée aux rejets des petites

industries agroalimentaire. Ces unités de production génèrent des effluents concentrés [8].

Les techniques peuvent être adaptées aux différents cas rencontrés. Pour les effluents

laitiers, on s'est aperçu qu'il était très efficace d'avoir recours à un traitement qui éliminant la

plus grande partie de la charge polluante, ce qui donc permettant d'abaisser radicalement la demande biologique en oxygène résiduelle (DBO) et la demande chimique en oxygène (DCO). Beaucoup d'auteurs s'accordent à épurer les rejets laitiers par un traitement biologique car la nature des déversements est essentiellement organique biodégradable [5]. Le contexte économique rend inadaptées des filières performantes telles que les stations de traitements à boues activées, dont les coûts d'investissement et de fonctionnement sont

rédhibitoires pour ce secteur artisanal. La nécessité de disposer de solution de traitement,

notamment le cas de la pression législative [8]. Dans ce cas ; le procédé le plus utilisé est le traitement physico-chimique par

coagulation-floculation d'où ce procédé est appliqué directement à l'eau brute, de ce fait, il

est, avec l'oxydation, l'un des procédés le plus important dans les filières de traitement des

eaux [9]. L'objectif de cette étude concerne la caractérisation qualitative et quantitative de l'effluent laitier global brut et l'évaluation des performances et des limites de son traitement par coagulation-décantation à l'aide du sulfate d'aluminium et la chaux. Dans cette étude on participera à une amélioration de ce processus par la mise au

point d'une méthodologie expérimentale basée sur l'optimisation des facteurs influençant le

procédé du traitement et aussi l'efficacité de traitement indiqué par la concentration des

polluants dans l'eau traitée.

MATÉRIELS ET MÉTHODES

Réactifs utilisés

Les échantillons d'eau usée analysés ont été prélevés à partir du réseau d'égout

communal, recevant l'effluent laitier global brut rejeté, qui se trouve immédiatement à la sortie de l'unité laitière étudiée. La chaux hydratée (éteinte) utilisée au cours de cette étude est un produit commercial fabriqué par Arcelor-Mittal. Elle est obtenue par extinction de la chaux vive avec une pureté supérieure à 95%. Journal de la Société Algérienne de Chimie 85
D'autre part, le sulfate d'aluminium et le réactif de floculation PE14 sont utilisés dans la station de traitement de l'eau potable de Sidi Amar (Annaba).

Méthodes d'analyse

La DCO est déterminée par l'oxydation de la matière organique par un oxydant puissant (K 2 Cr 2 O 7 ). L'échantillon est porté à reflux à une température de 148°c pendant 2 heures dans un bloc chauffant à plusieurs postes en milieu sulfurique concentré (96%) et en présence de sulfate d'argent jouant le rôle de catalyseur d'oxydation, de sulfate de mercure comme un agent complexant des chlorures et d'une quantité connue en excès de bichromate de potassium à une concentration de 8,33 x 10 -3 mol/l.

La DBO

5 est la masse d'oxygène consommée (mg ou %) pendant une incubation de 5 jours à 20°C et à l'obscurité, représente la DBO 5 de l'échantillon. La mesure de DBO 5 est réalisée par un DBO - mètre de marque WTW, utilisant la méthode manométrique. Cette

méthode est basée sur la technique respirométrique qui consiste à suivre l'évolution d'une

culture en batch en atmosphère close. Le CO 2 dégagé est adsorbé par les particules de NaOH additionnées. Pour les MES, en versant l'eau à analyser dans des tubes et on met ces derniers dans la

centrifugeuse à une vitesse égale à 3000 tr/mn et pendant 20 minutes de rotation, pui on filtre

l'eau obtenue et on met le filtrat dans un et le sécher à 105°C jusqu'à poids constant. Azote Total Kjeldahl (N-NTK), dont les méthodes ont été décrit dans la norme AFNOR [10].

La mesure de la turbidité est réalisée par un turbidimètre Hach. La valeur de la turbidité

mesurée est en NTU. L'absorbance est mesurée à l'aide d'un spectrophotomètre Jenway UV/Visible. Les

mesures sont réalisées à laide d'une cuve en quartz ayant un trajet optique. Cette absorbance

est un paramètre principal de contrôle la présence des matières organiques dissoutes dans

l'échantillon à analyser. Le pH est mesuré par la méthode AFNOR NFT 90-008 à l'aide d'un pH-mètre Hanna instruments. Les analyses bactériologiques ont comporté le dénombrement des streptocoques

fécaux sur gélose de Slanetz et Bartley (Biokar diagnostics, Beauvais, France) à 37°C et la

numération des coliformes fécaux par la méthode du nombre le plus probable après culture sur bouillon lactosé bilié au vert brillant (Biokar) et incubation à 44,5°C.

Les essais de Coagulation -floculation

La coagulation suivie de la floculation, sont des étapes indispensables au traitement des eaux chargées en particules colloïdales, trop petites pour décanter sous l'effet de la gravité. L'étude des étapes de coagulation floculation se fait dans une installation appelée Jar-

test (dispositif qui contient six béchers de 01 litre) permettant la sélection du meilleur jeu de

conditions opératoires en vue de l'étape de décantation. La quantité de coagulant, la quantité de floculant, la vitesse d'agitation, le temps d'agitation sont autant de paramètres à optimiser [11, 12]

Les différents essais de coagulation-floculation-décantation ont été effectués sur l'eau usée

laitière à température du laboratoire (24 ± 2 °C) au moyen d'un appareil Jar-test (modèle JF/6,

Isco, Milan, Italie) selon le principe suivant :

Les échantillons d'eau à traiter (Becher de 1 litre) sont préalablement homogénéisés

avant d'être introduits dans le floculateur avec le coagulant et le floculant ou adjuvant de floculation, le coagulant est utilisé sous forme solide sans dissolution ni dilution alors que le

R. AYACHE,...

86

floculant est préparé a 1 mg/l [13] avec de l'eau distillée puis versé dans l'échantillon d'eau à

traiter.

- Dans la série de flacons contenant l'eau usée laitière, on introduit les agents coagulants dont

les caractéristiques sont représentées dans le tableau 1, à des doses croissantes pendant une

courte période d'agitation (3 min) mais à une vitesse d'agitation rapide (200 tours par min) permettant d'assurer une très bonne diffusion des adjuvants et une bonne déstabilisation chimique des colloïdes. On agite doucement (40 tours par min) durant 20 min, afin de

favoriser la mise en contact des particules contiguës et éviter de briser les flocs formés. Enfin,

on laisse décanter ces flocons dans une période de repos de 30 min [14, 15, 16, 17, 18].

- Les effluents décantés sont prélevés minutieusement à l'aide d'une seringue pour éviter

toute perturbation du floc formé. La turbidité entre autres paramètres sont analysés pour

déterminer le taux d'efficacité de la clarification avec la dose nécessaire et suffisante du

coagulant [19].

RESULTATS ET DISCUSSION

Caractéristiques de l'effluent

Le tableau 1 présente les résultats des principales caractéristiques physico-chimiques et bactériologiques de l'effluent global brut rejeté par la laiterie étudiée. Les valeurs enregistrées pour les paramètres MES, DCO, DBO 5 , N-NTK et P-PT, ainsi

que les valeurs de pH et de température dépassent largement les valeurs fixées par le projet

Algérienne des normes des valeurs limites relatives aux rejets liquides. En effet, le pH de

l'effluent analysé varie fortement, avec parfois des valeurs très acides (2,3) ou très basiques

(12,8) en relation avec l'utilisation de l'acide nitrique ou de la soude pour le lavage. Il en est de même pour la température qui atteint parfois 43°C suite aux rejets directs des eaux provenant des condenseurs frigorifiques ou barométriques. La charge organique analysée, qui est en moyenne de 2520 mg d'O 2 /l pour la DCO et de 1225 mg d'O 2 /l pour la DBO 5 , se situe dans le même ordre de grandeur que celle des eaux usées de la laiterie " ORLAC » de BirKhadem en Algérie [20]. Toutefois, ces valeurs sont

très élevées en comparaison avec celles rencontrées en France, qui varient de 1500 à 2000

mg l -1 pour DBO 5 , de 2600 à 3500 mg l -1 pour DCO [21, 22, 23, 24] et qui s'approchent des résultats obtenus par l'Institut de Recherches Laitières en Nouvelle Zélande [25, 2]. La charge bactérienne moyenne est respectivement de 2,33×10 4 et 4,00×10 4

UFC·ml

-1

pour les coliformes fécaux et les streptocoques fécaux. Le rapport CF/SF st inférieur à 1, ce

qui témoigne d'une contamination fécale d'origine animale d'effluent étudié [26].

Ces résultats montrent qu'il est nécessaire de traiter cet effluent avant tout rejet ou utilisation

éventuelle.

On remarque que le rapport DCO/DBO

5

2, plus le rapport est petit, plus la matière

organique présente dans le rejet sera facilement dégradée par les bactéries, donc le traitement

qu'il faut utiliser est le traitement biologique. Mais de point de vue économique on a choisi le traitement physicochimique, dont il y a des rapports sont supérieurs à 2 (voir tableau1). Donc l'objectif de ce travail est de proposer et de développer un procédé de traitement d'eau usée dans le but de réduire les concentrations des polluants jusqu'aux normes requises

afin de pouvoir rejeter cette eau dans le milieu récepteur sans détruire la faune et la flore, soit

la recycler dans l'unité pour d'autres raisons.

On a réalisé séparément deux différents procédés pour traiter l'eau c'est - à - dire :

Dans cette étude on participera à une amélioration de ce processus par la mise au

point d'une méthodologie expérimentale basée sur l'étude de l'effet de pH sur le processus de

coagulation-floculation. Journal de la Société Algérienne de Chimie 87
Tableau 1 : Représente les valeurs moyennes des différents paramètres analysés d'un effluent laitier (Nombre de donnée : 23).

Paramètre

Valeur

minimale Valeur moyenne Valeur maximale Projet algérienne des valeurs limites

T °C 28 33 43 30

pH - 2,3 8,6 12.8 5,5-8,5

Conductivité µS/cm 1138 1322 1619 -

Turbidité NTU 948 1466 1874 -

MES mg/l 260 430 637 30

DCO mg/l 1720 2520 2780 125

DBO 5 mg/l 824 1225 1340 30

N-NTK mg/l 92 183 227 40

P-PT mg/l 17 32 47 10

CF UFC/ml 112 x 104 136 x 104 187 x 104 - SF UFC/ml 126 x 103 40 x 104 120 x 104 -

Effet du pH

Il est reconnu que le pH influence les taux d'abattement de la pollution contenue dans les eaux usées [32]. Pour chaque eau, il existe une plage de pH pour laquelle la coagulation a lieu rapidement. Plage qui est fonction du coagulant utilisé, de sa concentration et de la composition de l'eau à traiter. Pour abaisser le pH, il est plus avantageux, dans certains cas, d'augmenter la quantité de coagulant. Lorsque le pH est optimal, les produits solubles d'aluminium ou de fer sont pratiquement inexistants. [27] Pour notre étude, les pH optimaux pour l'élimination de la matière en suspension, de la demande chimique en oxygène, de l'azote total Kjeldahl et du phosphore total se situent entre 5,5 et 6,5 pour le coagulant à base d'aluminium (Figure 1 et Figure 6). Ces valeurs de pH sont proches de 6, pH permettant un abattement optimal selon Taha et al. [34] qui ont travaillé sur l'optimisation de la coagulation-floculation des eaux blanches de laiteries en faisant varier le pH et la dose des adjuvants, notamment le sulfate d'aluminium,

l'alginate de sodium et l'acide alginique. Toutefois, elles sont supérieures à celles évoquées

dans des études antérieures et qui sont légèrement acides [28, 29]. Par ailleurs, nous avons constaté que l'addition progressive sulfate d'aluminium à

l'eau usée laitière brute a provoqué une baisse de pH de 7 à 5. Cette baisse de pH peut être

expliquée par le fait que l'ajout des sels d'aluminium l'eau entraîne une libération d'ions H

selon la réaction d'hydrolyse suivante: Al 3+ + n H 2

O Al(OH)

n + n H

R. AYACHE,...

88
Cette valeur est toujours située dans la gamme de pH optimal de coagulation obtenue par le coagulant, ne nécessitant donc aucune correction de pH de l'effluent. Fig. 1 : Variation de pH en fonction des doses de Al 2 (SO 4 3 Fig. 2: Variation de la turbidité en fonction des doses de Al 2 (SO 4 3 Aux pH basiques, l'hydrolyse de l'aluminium favorise l'apparition de l'aluminate

soluble. La diminution observée dans l'enlèvement de la turbidité est essentiellement due à

l'apparition d'aluminate soluble, donc à l'augmentation des charges négatives. De plus la concentration résiduelle de l'aluminium est élevée. [30]

Un test a été réalisé ou nivaux du laboratoire qui consiste a traitée l'eau brute de pH et

turbidité initiale de 7,6 et 1180 NTU respectivement par 500 mg/l de sulfate d'aluminium.

4,55 5,56 6,57 7,5

0 200 400 600 800 1000 1200

p H

0 200 400 600 800 1000 1200

0 200 400 600 800 1000

Dose de Al

2 (SO 4 3 mg/l Dose de Al 2 (SO 4 3 mg/l

Turbidité (NTU)

Journal de la Société Algérienne de Chimie 89
Les résultats (figure 3) montres que la turbidité initialement diminuée tandis que le pH augmente. Par la suite, et avec l'augmentation du pH, la turbidité commence à augmenter. Il existe une gamme optimale de pH pour l'enlèvement de la turbidité. Ce teste a donné la preuve que le sulfate d'aluminium avait la meilleure performance de la coagulation dans la gamme de pH de 5,5 à 8 avec un minimum à un pH de 6, même résulta obtenu par Taha et al [30]. Fig. 3 : effet de pH sur l'enlèvement de la turbidité par le sulfate d'aluminium. Fig. 4 : Variation de pH en fonction des doses de Ca(OH) 2

78910 11 12 13

0 1000 2000 3000 4000 5000

05 101520253035404550

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

pH

Turbidité

NTU p H

Dose de Ca(OH)

2 mg/l

R. AYACHE,...

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Fig. 5 : Variation de la turbidité en fonction des doses de Ca(OH) 2 Contrairement comme le montre la figure 4, l'addition progressive de la chaux a entraîné l'augmentation du pH de 7 à 12. D'autre part, le taux d'abattement des MES et la vitesse de précipitation du phosphore augmentent au-delà de pH 8 et l'optimum est obtenu à

pH voisin de 11 (figure 4 et figure 7). D'où l'intérêt de réajuster le pH de l'eau après chaulage

pour le maintenir à une valeur conforme les normes algériennes. On observe que la plage de pH optimale pour la chaux est située dans une zone

totalement basique car les réactions d'adoucissement sont réalisées aux pH basiques. La zone

optimale est caractérisée par le pH isoélectrique. La chaux est un réactif utilisé depuis longtemps pour l'adoucissement, l'ajustement du pH et pour le traitement par excès de chaux. La coagulation par la chaux repose sur des types de réactions similaires à celle de l'adoucissement. Lorsqu'on utilise la chaux éteinte, des précipités de CaCO 3

à pH = 8,45 jusqu'à pH =

9,6 et de MgO de pH = 9,0 à pH = 11,45 sont formés. Des particules colloïdales peuvent être

piégées lors de la formation de ces précipités.

Le potentiel zêta du CaCO

3 est négatif et celui du MgO est positif, ceci est vrai dans toute gamme de pH dans laquelle ou les retrouve. Le potentiel zêta du CaCO 3 peut toutefois évoluer vers une valeur positive par l'ajout d'une quantité suffisante de MgCl 2 . Donc l'oxyde de magnésium est un coagulant plus actif que le bicarbonate de calcium et sa capacité d'adsorption de produits organiques est significative. Le bicarbonate de magnésium peut être employé comme coagulant, la réaction de MgCO 3 avec la chaux est favorisée à celle de Mg(HCO 3 2 avec la chaux, car la vitesse de la première réaction est plus rapide. Sa mise en oeuvre technique implique une double précipitation de CaCO 3 qui précède celle du MgO ; mais le bicarbonate de magnésium est plus rentable que le MgCO 3 comme le montre ces réactions [30]:

Mg(HCO

3 2 + Ca(OH) 2 MgCO 3 + CaCO 3 + 2 H 2 O

Ca(OH) CaCO

3 +Mg(OH) 2

Mg +CaCO

3 +Hquotesdbs_dbs24.pdfusesText_30

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