• impuretés dissoutes (sels minéraux dissous, molécules organiques ...),
• colloïdes,
• solides en suspension.

En fait, cette classification recouvre celle de la taille des particules concernées, intuitivement, on saisit que les particules les plus difficiles à éliminer sont les plus fines.
A cette notion de dimension, s'ajoutent deux autres encore plus importantes qui sont celles du rapport surface/volume des particules colloïdales qui leur confère des propriétés d'adsorption très prononcées, et celle de leur charge électrique de surface.
Cette charge peut provenir :

• de la dissociation de groupes ionisables appartenant au colloïde lui-même,
• de l'adsorption d'ions contenus dans la solution,
• d'une substitution isomorphique (remplacement dans un réseau macromoléculaire d'un atome par un autre atome de valence différente) ; c'est le cas général des argiles.

Pour leur étude, les colloïdes sont classés, arbitrairement, en deux groupes principaux ;

• les colloïdes hydrophiles : ils proviennent de substances solubles présentant une affinité pour l'eau, et qui adsorbent une couche d'eau liée, protectrice.
  Dans ce groupe se trouvent les protéines, les carbohydrates et, d'une façon générale, les produits organiques.
• les colloïdes hydrophobes : généralement plus gros et n'ont pas de couche protectrice.
  Ils proviennent de substances peu ou pas soluble tels que les métaux, leurs oxydes et/ou leurs hydroxydes.
  Plus généralement, ce sont des produits minéraux.

L'existence des systèmes colloïdaux dépend de l'interaction entre deux particules.
Elle met en jeu deux forces contraires :

• une force de répulsion qui tend à écarter les particules les unes des autres. Cette force dépend de la charge des particules qui sont de même signe.
• une force d'attraction (type Van der Waals) qui tend à rassembler les particules pour atteindre l'énergie potentielle minimum. Cette force est, bien entendu, fonction de la distance entre particules.

Déstabilisation des colloïdes
Pour surmonter les forces répulsives, deux possibilités peuvent être théoriquement envisagées :

• accroissement de l'énergie cinétique des particules (techniquement inapplicable en pratique) ;
• modification de la résultante des forces mises en jeu.

On peut obtenir ceci en :

• augmentant la force ionique du milieu par introduction
  d'un électrolyte ,
  (ce qui a pour effet la diminution de l'épaisseur de la double-couche) ;
• abaissant la barrière de potentiel (dit potentiel Zêta) existant autour du colloïde,
  par introduction d'un contre-ion dans la couche liée et adsorption de ce contre-ion sur la surface de la particule.

Dans ces conditions, les particules se rapprochent suffisamment les unes des autres pour que les forces de Van der Waals deviennent prédominantes. Le processus qui conduit à ce résultat est généralement appelé coagulation.
Cette étape franchie, chaque collision entre particule provoque un accroissement de leur taille par agglomération; c'est la phase de floculation qui conduit à des flocs dont la taille, de l'ordre du millimètre, permet leur décantation (rappel : dépôt de particules au fond d'un récipient, par action de la pesanteur), en un temps suffisamment court si les conditions hydrauliques s'y prêtent.
L'action coagulante des électrolytes est donc déterminée par la valeur de la charge de l'ion qui est opposé à l'ion colloïdal.
Dans les eaux naturelles, la très grande majorité des particules colloïdales est chargée négativement. La floculation de ces particules ne dépend donc, en fait, que de la charge du cation de l'électrolyte, l'anion ne jouant qu'un rôle secondaire.
La phase de coagulation est quasi instantanée et elle doit s'effectuer dans des conditions d'agitation intense pour obtenir l'homogénéisation du milieu après introduction de l'électrolyte (ou coagulant et/ou floculant), tandis que la floculation exige une agitation lente .

Au centre : l'ion colloïdal.
A l'extérieur : les ions libres de charge électrique équivalente et de signe contraire à celle de l'ion colloïdal et formant deux couches :

- ions de parois (couche dense de Helmholtz ou couche de Stern) indissolubles de l'ion colloïdal qui présentent une charge toujours inférieure à celle de l'ion colloïdal (le niveau énergétique à cette distance est caractérisé par le potentiel Zêta),

- ions complémentaires (couche de Gouy-Chapman) formant une couche diffuse à une plus grande distance de l'ion colloïdal, en équilibre avec le solvant, présentant un appauvrissement progressif en ions de signe contraire à celui de l'ion colloïdal , accompagné d'un enrichissement correspondant en ions de l'autre signe.

Nature des réactifs coagulants
Théoriquement, n'importe quel type d'électrolyte peut être utilisé pour obtenir la coagulation/floculation d'un colloïde . Cependant, il est reconnu, depuis de nombreuses années, que l'efficacité d'un coagulant augmente considérablement avec le nombre d'oxydation (valence) du cation de l'électrolyte.
C'est pourquoi les sels d'aluminium et de fer ferrique qui renferment des cations de nombre d'oxydation 3+ sont presque exclusivement utilisés dans la coagulation/floculation des eaux. Les sels d'aluminium et de fer présentent outre leur valence élevée,présentent l'intérêt de s'hydrolyser dans la gamme de pH habituelle des eaux naturelles, en donnant un hydroxyde insoluble qui précipite.
On sait cependant, depuis peu, que ce n'est pas l'ion trivalent qui joue le rôle essentiel, mais les produits d'hydrolyse intermédiaires qui se forment. Les sels d'aluminium et de fer conduisent en effet, en solution diluée, aux hydroxo-complexes suivants :

(1) X⁺⁺⁺ + OH^- << >> X (OH)⁺⁺

(2) X (OH)⁺⁺ + OH^- << >> X (OH)⁺₂

(3) X (OH)⁺₂ + OH- << >> X(OH)₃

(4) X(OH)₃ + OH- << >> X(OH)^-₄
dans lesquelles OH- = ions hydroxyles, X = Al ou Fe

Bien qu'il s'agisse d'équilibre, ces réactions sont pratiquement complètes aux pH habituels des eaux, et irréversibles au moins pour les trois premières.
Ces produits d'hydrolyse ont une très forte tendance à polymériser pour donner d'abord des édifices macromoléculaires (polyhydroxo-complexes) solubles puis colloïdaux, et enfin des hydroxydes insolubles.
La proportion relative de chacun de ces complexes dépend des conditions de milieu (pH, température, concentration).

Il a été démontré qu'il pouvait être préférable d'utiliser un sel d'aluminium partiellement neutralisé par de la soude dans des conditions propres à favoriser la formation de tel ou tel complexe avant injection dans l'eau. Cette technique est entre autres, à l'origine de la commercialisation du WAC (Water Aluminium Chloride) et du PCBA (PolyChlorure Basique d'Aluminium).

Paramètres influençants la floculation
Il existe un pH de floculation optimum pour un type d'eau et un floculant donné : ce pH résultera de celui de l'eau brute, de l'action du coagulant qui consomme des ions OH- et de l'éventuelle introduction d'un réactif correcteur.
Aux valeurs habituelles de pH rencontrées dans les eaux naturelles, les ions OH- libres n'existant pas, ils résulteront de la décomposition des bicarbonates (HCO₃^-) par le floculant (et formation de gaz carbonique CO₂) :

réaction à laquelle se superpose celle de l'équilibre du bicarbonate de calcium avec ses produits de dissociation.

L'équation globale type de coagulation peut donc s'écrire :

donc, précipitation d'une hydroxyde métallique X (OH)₃ et formation de CO₂.

Rappelons que CO₂ + H₂O <<< >>> H₂CO₃ (acide carbonique)

L'apparition d'acide carbonique et la diminution subséquente de l'alcalinité bicarbonatée conduit à un abaissement du pH du milieu dont l'ampleur dépend du pouvoir tampon (Alcalinité initiale et Force ionique) et de la dose de coagulant introduite.
C'est pour cette raison qu'il est essentiel de tenir compte du pH, de l'alcalinité et de la minéralisation de l'eau brute pour la définition du procédé de coagulation/floculation.

Exemple avec l'utilisation de l'aluminium comme coagulant

Il peut être nécessaire, pour obtenir une floculation correcte, d'ajuster le pH de l'eau en y ajoutant soit un acide, soit une base (soude, chaux, carbonate de sodium).

D'autres facteurs généraux interviennent dans la coagulation-floculation, ce sont les suivants:

• La nature de la couleur et de la turbidité et leur proportion relative dans l'eau brute
  Rappelons qu'il n'y a pas de solution de continuité entre les mesures de couleur et de turbidité des eaux, et que seules les tailles des particules et dans une certaine mesure leur nature, permettent d'établir une classification arbitraire.
  Les particules de grande taille et de nature généralement minérale (argiles) constituent la turbidité.
  Les petites particules et certains composés solubles de nature généralement organique sont responsables de la couleur.
  La floculation des acides humiques exige des doses élevées de coagulant approximativement proportionnelles à leur concentration dans l'eau.
  Au contraire, les colloïdes minéraux sont facilement floculés par de faibles doses de coagulant, sans rapport avec l'intensité de la turbidité.
  
• La température :
  Comme toute réaction chimique, la floculation est accélérée par l'élévation de température. La floculation des eaux froides est donc plus lente et moins complète que celle des eaux chaudes.
  D'autre part, la rapide augmentation de la viscosité de l'eau lorsque la température s'abaisse (la valeur de la viscosité passe de 1 à 2 entre 25 et 0°), joue contre la fréquence des rencontres des particules dans la phase de floculation orthocinétique et diminue le nombre de chocs efficaces.
  Enfin, cette viscosité entrave le phénomène de décantation.

Principaux réactifs coagulants.
(cliquer sur le nom pour + de renseignements)
Sulfate d'aluminium :
La gamme de pH d'utilisation est de 5,7 à 7,2 (Optimum 6)
Sa formule générale est : Al₂(SO₄)₃, n H₂O

(Produit commercial n = 14, produit pur n =18)

II est disponible :
sous différentes formes solides (selon les fabricants),

• concassé, morceaux de 10 cm de large et de 1 cm d'épaisseur environ,
• "noisette", granulométrie comprise entre 2 et 12 mm ou 3 et 35 mm,
• poudre, granulométrie courante de 0,1 à 3 mm
• sous forme de solution aqueuse à 8,2% d'Al₂O₃ (oxyde d'aluminium ou Alumine)

Chlorure ferrique :
La gamme de pH d'utilisation est de 5,5 à 8,5 (Optimum 8).
Sa formule à l'état pur est FeCl₃.
Pour le traitement des eaux, il est uniquement utilisé sous forme de solution aqueuse d'environ 592 g/l
(41 % en FeCl₃, en poids).
Il est stocké en bonbonnes, en containers ou citernes.


WAC (PAC ou polyaluminium chloride) :
C'est un polychlorure d'aluminium basique dont la formule brute serait : Al_n (OH)_m Cl_3n-m
dans laquelle m/3n est compris entre 0,45 et 0,60.
Il se présente sous forme d'un liquide dont la teneur en A1₂0₃ est d'environ 10%.
La gamme de pH d'utilisation est de 6 à 7,5 (optimum 6,5).
Il est stocké en citernes.

Autre polyhydroxychlorosulfate d'aluminium (polyaluminium chloride hydroxide sulfate) : Aqualenc.

On peut citer également l'aluminate de sodium seul ou conjointement avec le sulfate d'alumine ou le chlorure ferrique, le sulfate ferrique, le sulfate ferreux.

>> liens vers docs./bulletins officiels : Circulaire DG 5/VS 4 n° 2000-166 du 28 mars 2000 relative aux produits de procédés de traitement des eaux destinées à la consommation humaine.


Choix des réactifs et détermination des taux de traitement.

• Choix du coagulant :
Un certain nombre de paramètres doivent être pris en compte :

• Température de l'eau,
• Caractéristiques des eaux brutes (dont l'équilibre calco-carbonique),
• Paramètres physico-chimiques à inclure ou éliminer prioritairement (turbidité et/ou Matières Organiques, par exemple),
• Gestion de l'exploitation (stocks, automatisme, etc...),
• Coût du produit,
• Choix imposé ou "considération esthétique".

• Détermination du taux optimum :
La coagulation et la floculation sont des phénomènes complexes, influencés par de nombreux paramètres :

• qualité des eaux (caractéristiques physico-chimiques,
• nature et structure des colloïdes,
• nature et mise en oeuvre des produits utilisés);

aussi la méthode la plus sûre et la plus rationnelle, pour déterminer dans chaque cas la nature et quantité de réactif à utiliser, s'appuiera sur l'expérimentation.
La méthode qui reproduit à petite échelle l'ensemble du processus de coagulation-floculation est celle dite du JAR-TEST, utilisé en laboratoire.
Dans cette recherche du meilleur résultat possible (qui doit également tenir compte des considérations économiques), l'expérience de l'homme doit être secondée par l'essai de floculation en laboratoire (JAR-TEST), et éventuellement par la mise en oeuvre d'un pilote de traitement qui sont des auxiliaires précieux.

Pilotage du traitement de coagulation/floculation
Automatisation du pH :
L'expérience montre qu'un pH optimum de coagulation-floculation qui devrait être recherché, pour un taux de coagulant donné, et celui qui permet d'obtenir les meilleurs rendements d'élimination de certaines caractéristiques de l'eau brute : les matières organiques par exemple, sont beaucoup mieux éliminées lorsque la coagulation se produit à pH "acide", c'est-à-dire vers 5 - 5,5.
Ainsi donc, il peut être intéressant de mettre en oeuvre une régulation du pH de l'eau, dans la phase de floculation complète (agitation rapide + lente), les réactifs permettant cette régulation peuvent être un acide (acide sulfurique, gaz carbonique) ou une base (chaux, soude, carbonate de sodium).
A noter que lorsque l'eau brute présente des variations importantes de TAC et de pH (variations de l'équilibre calco-carbonique), ainsi que de turbidité, il très difficile (voir impossible) de pratiquer manuellement les réglages nécessaires à l'obtention du pH désiré, seul un système automatique peut y parvenir : boucle de mesure pH + régulateur électronique P.I.D.
Automatisation du taux de coagulant :
L'intérêt est évident : être au taux optimum de floculation quelles que soient les variations de qualité des eaux à floculer et en particulier lorsque ces variations peuvent être rapides et importantes.
En réalité, la mise en oeuvre d'un système automatique permet :

• une qualité meilleure et constante de l'eau traitée,
• un gain en réactifs (floculants, réactifs d'ajustement du pH),
• une réduction des coûts de traitement, par la réduction globale des taux de réactifs et l'amélioration des performances de la filtration (en particulier la "perte en eau") donné par de meilleurs résultats sur les qualités d'eaux décantées avant filtration.

En l'état actuel, aucun système ne peut, à priori, être installé dans une usine de traitement, sans une étude préalable, avec :

• qualité d'eaux brutes et ses variations,
• meilleur réactif coagulant à utiliser et taux de traitement,
• durées des phases de coagulation/floculation,
• énergies mises en place.

Différentes méthodes peuvent être utilisables :

• 1. Système informatique permettant le calcul de la dose optimum.

  Ces systèmes reposent sur l'établissement d'une "loi de floculation", en fait un algorithme de calcul, établie à partir d'expérimentation. Ceci demande, pour une eau donnée, de nombreux essais en JAR-TESTS, sur les différentes qualité d'eaux, en simulent les durées réelles de floculation et donc, en mesurant plusieurs paramètres des eaux (pH, turbidité, UV, conductivité, etc...).

• 2. Systèmes utilisant des appareils de mesure des charges colloïdales : Zétamètre, SCD.
  
• 3. Système de coagulation automatique : basé simplement sur l'automatisation du JAR-TEST (coagulomètrie). Des appareils ont été expérimentés et utilisés sur certaines usines d'eaux (potabilisation et épurations des eaux usées).
  

>>> Video sur la coagulation-floculation.