Contribution à l’étude de l’élimination des micropolluants des eaux par le procédé de coagulation-floculation

Abstract

Ce travail a eu pour objectif d’apporter une contribution à l’étude de l’efficacité de quelques matériaux synthétiques et/ou naturels, alternatifs aux coagulants-floculants conventionnels. Après leur préparation/synthèse, et afin de déterminer leurs caractéristiques principales, ces différents matériaux ont d’abord été caractérisés par diverses techniques analytiques (IRTF, DRX, FRX, BET et MEB-EDX). Les expérimentations, conduites à l’aide d’un jar-test, ont été réalisées sur des solutions diluées de colorants (bleu de méthylène, rouge FBB et rouge Congo). La combinaison du nouveau biofloculant (mucilage de la cannelle) avec les coagulants conventionnels FeCl3 / AlCl3 a montré une efficacité très élevée vis-à-vis de l’élimination du rouge FBB (R > 94%) avec des durées de traitement record. De plus, l’étude de l’incidence des paramètres opératoires a montré que la décoloration des solutions par ce système coagulant-floculant dépendait fortement des doses du coagulant et du floculant, du pH du milieu, des vitesses et des temps de mélange (rapide et lent) et du temps de décantation. Ce système fait essentiellement intervenir des processus d’adsorption et d’interaction de coordination (complexation). Les valeurs de l'indice de volume des boues (IVB) obtenues ont par ailleurs montrées une bonne décantation des flocs formées. Le mucilage de la cannelle a présenté une activité floculante quasi-identique à celle de deux autres mucilages (des graines de lin et de psyllium). Ce résultat a été confirmé par l’analyse de variance (ANOVA). L’optimisation des variables d’élimination du rouge FBB par le plan de surface de réponse « Box Behnken » a conduit à un rendement de décoloration maximal de 98 % correspondant aux valeurs estimées ([FeCl3]= 31,92 mg/L, [Cm]= 2,70 ml/L, pH =5,41) et une désirabilité égale à l’unité. L’application du système argile sodique-mucilage de la cannelle a conduit à une élimination presque totale du bleu de méthylène (99,93 %) dans les conditions optimales. Il est à noter dans ce cas, que l’efficacité du processus dépend de plusieurs facteurs notamment la dureté de l’eau traitée, le pH initial et le temps de sédimentation. Enfin, le sulfate polyferrique PFS(B), synthétisé à température ambiante (nouvelle méthode), a présenté une activité coagulante-floculante remarquable (98 %) lors de la décoloration des solutions du rouge Congo (RC). Cependant, cette performance reste inférieure à celle de son homologue PFS(A), synthétisé à chaud (méthode conventionnelle). Quant au sulfate de magnésium polyferrique (PFSMB)), obtenu par l'introduction de l'ion magnésium dans la préparation de PFS(B), ce nouveau coagulant est caractérisé par une meilleure performance d’élimination du colorant RC, identique à celle de PFS(A), mais surtout par la production de flocs plus larges, plus denses et facilement décantables. The aim of this work was to contribute to the study of the effectiveness of some synthetic and/or natural materials, alternative to conventional coagulant-flocculants. After their preparation/synthesis, and in order to determine their main characteristics, these different materials were characterized first by various analytical techniques (FT-IR, XRD, XRF, BET and SEM-EDX). The experiments, conducted in laboratory jar-test, were carried out on dilute dyes solutions (methylene blue, red FBB and red Congo). The combination of the new bioflocculant (cinnamon mucilage) with the conventional coagulants FeCl3/AlCl3 showed a very high efficiency against the red FBB elimination (R > 94%) with record treatment times. In addition, the study of the incidence of the operating parameters showed that the discolouration of the solutions by this coagulant-flocculating system was strongly dependent on the coagulant and flocculant doses, the pH of the medium, the mixing speeds and times (fast and slow) and settling time. This system essentially involves processes of adsorption and coordination interaction (complexation). The resulting Sludge Volume Index (SVI) values also showed good settling of the formed flocs. Cinnamon mucilage showed almost identical flocculating activity to that of two other mucilages (flax and psyllium seeds). This result was confirmed by the analysis of variance (ANOVA). The optimization of the red FBB removal variables by the response surface plane "Box Behnken" resulted in a maximum discolouration efficiency of 98% corresponding to the estimated values ([FeCl3]= 31.92 mg/L, [Cm]= 2.70 ml/L, pH =5.41) and a desirability equal to the unit. The application of the sodium clay- cinnamon mucilage system led to an almost total elimination of methylene blue (99.93%) under optimal conditions. In this case, it should be noted that the process efficiency depends on several factors including the hardness of the treated water, the initial pH and the sedimentation time. Finally, the polyferric sulphate PFS(B), synthesized at room temperature (new method), exhibited remarkable coagulant-flocculating activity (98%) during the discoloration of Congo red (RC) solutions. However, this performance remains lower than that of its counterpart PFS(A), synthesized at higher temperature (conventional method). As for polyferric magnesium sulphate (PFSMB)), obtained by introduction of magnesium ion in the PFS(B)preparation, this new coagulant is characterized by a better removal performance of the dye RC, identical to that of PFS(A), but especially through the production of wider, denser and easily decantable flocs. يهدف هذا العمل الى المساهمة في دراسة فعالية بعض المواد الاصطناعية/أو الطبيعية كبدائل لمواد التخثير/التنديف التقليدية. بعد تحضير هذه المواد، و قبل استعمالها، تم تحديد خصائصها الرئيسية بالاستعانة بالعديد من التقنيات التحليلية المختلفة (DRX ، FRX ، BET MEB-EDX و IRTF). تم إجراء التجارب، باستخدام جهاز فحص الجرة (Jar-test) ، على محاليل مخففة من الاصباغ (أزرق المثلين، احمر FBB ، أحمر الكونغو). حيث أظهرت نتائج استخدام صمغ القرفة مع مواد التخثير التقليدية كلوريد الحديديك/كلوريد الألومينيوم فعالية فائقة في إزالة لون المحاليل (94 %). كما أثبتت الدراسة أيضا أن لعوامل التفاعل (جرعات المادة المخثرة والمادة الندفية، درجة حموضة الوسط، سرعة ومدة الخلط، السريع والبطيء، وزمن الترسيب) تأثيرا كبيرا في إزالة لون المحاليل بواسطة عملية التخثير/ التنديف. أما بالنسبة للآلية المعتمدة فهي ترتكز بشكل أساسي على عمليات الامتزاز و تجاذبات الربط عملية التعقيد. من جهة أخرى، بينت نتائج مؤشر حجم الحمأة (IVB) المتحصل عليها أن ترسب الحمأة يتم بشكل جيد. كما قدم صمغ القرفة كفاءة متطابقة مع كفاءة الصمغين الآخرين (بذور الكتان و بذور البسيليوم)، و قد تم تأكيد هذه النتيجة خلال دراسة تحليل التباين ANOVA . و في هذا السياق، أدت منهجية تحسين متغيرات إزالة أحمر FBB بواسطة تصميم سطح الاستجابة « Box Behnken » إلى مردود أقصى قدره 98 % الموافق للقيم المقدرة (ml/L, pH =5]= 31,92 mg/L, [Cm]= 2,70 3[FeCl ) و الاستحسان الأمثل (D=1) . من جهة أخرى، أدى تطبيق صمغ القرفة مع الطين المعدلة، عند الشروط المثلى، إلى إزالة شبه كاملة لأزرق المثيلين (99,93 %). وهنا تجدر الإشارة أن فعالية العملية تعتمد على عدة عوامل لاسيما عسرة المياه المعالجة، درجة الحموضة الأولية ومدة الترسيب. في الاخير، أظهر المركب PFS (B) كبريتات البوليفيريك، الذي تم تصنيعه عند درجة حرارة الغرفة (طريقة جديدة)، نشاطا تنديفيا بارزا في التخلص من احمر الكونغو (RC) ( 98 %). غير أن هذا الأداء يظل أدنى قليلا من أداء نظيره المركب الثاني PFS (A) ، المتحصل عليه بالتسخين (طريقة تقليدية). أما بالنسبة للمخثر الثالث الجديد (B) PFSM )كبريتات المغنيسيوم بوليفيريك، الذي تم تحضيره عن طريق إدخال أيون المغنيسيوم في تركيبة (B) PFS ، فهو يتميز بأداء أفضل مماثل لأداء المادة المخثرة (A) PFS في التخلص من صبغة RC . تتميز كلتا المادتين الأخيرتين بإنتاج ندف أكبر، أكثر كثافة وأسهل ترسيبا.