Memoire Online - Etude en reacteur agitee du traitement des eaux de consommation par un biofloculant: triumfetta cordifolia

I.4.1. Description générale d'une chaîne classique de traitement d'eaux de surface riche en particules colloïdales

Le principal objectif d'une station de production d'eau potable est de fournir un produit qui satisfait à un ensemble de normes de qualité à un prix raisonnable pour le consommateur.

L'efficacité du traitement adopté dépendra de la façon dont sera conduite l'exploitation de l'usine de traitement. Pour atteindre l'objectif souhaité, l'exploitant devra d'une part respecter certains principes élémentaires pour assurer le contrôle du processus de traitement et le contrôle de l'eau traitée, et d'autre part disposer d'un certain nombre de moyens technique et humains (Valentin, 2000).

Le schéma classique d'une station de potabilisation d'une eau de surface riche en particules colloïdales est généralement constitué des phases suivantes :

Figure 4: Schéma classique d'une station de potabilisation des eaux de surface riche en particules colloïdales (Desjardins, 1997)

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I.4.2. Coagulation /floculation des colloïdes en présence de sels inorganiques

Clarifier une eau, c'est la débarrasser de toutes les particules colloïdales et en suspension qui ont échappé au prétraitement et qui communiquent à l'eau une turbidité et une couleur indésirable. Elle s'effectue par : Coagulation-floculation, décantation et filtration. Le procédé de coagulation-floculation consiste à ajouter à l'eau un électrolyte permettant de transformer la suspension colloïdale en des particules plus importantes et aptes à sédimenter. Cette transformation est le résultat de deux actions distinctes : (Degremont, 1989 ; Packham , 1965).

? La déstabilisation des particules par neutralisation de leurs charges électriques, connue sous le nom de « coagulation ».

? La formation de flocons, dépendante du transport et de la mise en contact des particules déstabilisées constitue « la floculation»

? Le Jar test est un appareil classique à 4 postes, tous entraînés en rotation par un moteur de vitesse variable, mais limité. Il est équipé de quatre béchers de 1 litre chacun dont les caractéristiques sont données dans la figure 5 ci-dessous. Le principal intérêt des essais sur Jar test est la localisation de l'optimum de coagulation et la possibilité d'observer le comportement des suspensions à cet optimum, mais aussi de part et d'autre de celui-ci.

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L'efficacité coagulante de sels minéraux s'explique uniquement par une diminution du potentiel zêta, due à un compactage de la double couche ionique et à l'adsorption préférentielle, à l'interface solide-liquide, des cations portant les charges électriques les plus élevées qui assurent l'annulation des charges électriques répulsives c'est-à-dire leur potentiel zêta. En pratique, on utilise essentiellement des sels de fer et d'aluminium à cations trivalents (Fe³⁺ , Al³⁺). Ces sels hydrolysables, agissent aux pH voisins de la neutralité (Boeglin, 2000).

Les charges positives de l'ion métallique favorisant la neutralisation, les particules peuvent alors se rassembler sous l'effet des forces attractives de Van Der Waals et il se produit une précipitation simultanée et conjointe sous forme d'un gel d'hydroxyde de fer ou d'aluminium, qui adsorbe le colloïde naturel coagulé. Ce gel amorphe se présente sous forme de flocons que l'on sépare efficacement de l'eau dans les phases ultérieures de la clarification (Cardot, 1999). Ces quatre valeurs (une quantité de réactif et sa vitesse d'agitation associée pour la coagulation puis une quantité de réactif et sa vitesse d'agitation associée pour la floculation) sont à déterminer en fonction de l'eau à traiter.

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Les études, effectuées sur les produits d'hydrolyse des sels minéraux à cations trivalents tels : (Fe³⁺et ^Al3+),ont montré l'existence de formes ioniques polymérisées, intermédiaires entre les cations cités précédemment et les molécules neutres d'hydroxydes précipités. Ces polymères sont susceptibles d'agir par adsorption ou piégeage selon un mécanisme indiqué par la Figure 7 ci-dessous.

Figure 7: Déstabilisation des colloïdes par polymères hydrosolubles ? Résumé des phénomènes chimiques mis en jeu

La figure 8 met en évidence les différents phénomènes mis en jeu dans le procédé de coagulation/floculation.

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Les principaux coagulants utilisés pour déstabiliser les particules et produire des flocs sont :

? le sulfate d'aluminium Al2(SO4)3, 18 112O ? le chlorure ferrique FeCl3, 6 112O

De manière générale, ce sont des composés de haut poids moléculaires 10⁴-10⁶Da de types anioniques, cationiques ou non ioniques. L'intensité de la charge d'un polymère dépend de son degré d'ionisation qui dépend à son tour des charges sur les groupes fonctionnels, du degré de copolymérisation et de la quantité de groupes fonctionnels qui ont été substitués (Fortier et al., 2008).

En solution, ils ont un taux de diffusion relativement bas et ils augmentent la viscosité. Le brassage est donc nécessaire à la dispersion des polymères. Ils peuvent être employés pour la neutralisation, l'émulsion et/ou pour créer des ponts entre les particules colloïdales (EPA, 2000). Leur efficacité dépend généralement des paramètres suivants : la concentration du polymère, la charge globale et la densité de charge, le poids moléculaire, les caractéristiques de l'eau et les paramètres physiques (dosage, énergie de brassage, p11, etc.). Les polymères peuvent être utilisés seuls ou combinés avec les sels métalliques. Les adjuvants les plus utilisés sont la silice activée et les polyélectrolytes. Ils agissent par adsorption et pontage entre les particules colloïdales. Les polyélectrolytes sont de types anionique, cationique et non anionique, de structures longitudinales et de masses moléculaires élevées. Une étude de Tambo (1991), qui est une synthèse des concepts de base de la coagulation-floculation permet de comprendre les principaux mécanismes de la coagulation-floculation. On y décrit les effets bénéfiques de l'ajout d'un polymère sur la formation des flocs et sur leur décantation. Une autre étude (Adachi, 1994) tente d'évaluer

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l'impact de l'utilisation d'un polymère sur la floculation. Les résultats ont montré que le taux de floculation est amélioré lorsqu'on utilise un polymère en plus de l'alun. Ces résultats vont dans le même sens que ceux présentés par Tambo (1991). De plus, l'injection du polyélectrolyte comme coagulant primaire avant l'ajout d'alun, permet d'améliorer la qualité de l'eau décantée. Cette étude justifie donc l'utilisation d'un polyélectrolyte cationique comme aide-coagulant pour le traitement des eaux étudiées. Une autre étude, réalisée par Narkis et al., (1991) a traité l'utilisation d'un polyélectrolyte avec l'alun. Les auteurs ont conclu que l'utilisation d'un polymère non- ionique (neutre) est plus favorisée grâce à sa stabilité et de sa neutralité. Lorsqu'ils sont utilisés avec des sels d'aluminium, les polymères anioniques et neutres sont plus performants que les polymères cationiques. Les réactions étant meilleures avec les précipités d'aluminium chargés positivement, et par suite la floculation par adsorption et pontage des particules sera avantageuse. Brejchova et Wiesner (1992) ont montré que le temps entre l'ajout du coagulant et de l'aide-coagulant a un impact important lorsque des sels de fer sont utilisés. Un délai d'environ 60 secondes entre l'ajout des deux produits permet d'obtenir des taux plus élevés d'accroissement de la turbidité.

Les polymères peuvent être toxiques pour la faune. Très peu d'études documentent cette toxicité. Liber et al. (2005) ont montré que certains polymères anioniques et cationiques de type MagnaFloc sont toxiques à des doses sous- létales chez le touladi. Parallèlement, Al-Mutairi, (2005) montre que l'écotoxicité du traitement alun/polymère repose essentiellement sur le polymère utilisé comme agent floculant. Le CPAM et CPMA sont des polymères cationiques autorisés dans d'autres pays mais qui n'ont pas reçu d'accréditation pour l'eau potable en France, car ils sont à l'origine de sous-produits de désinfection cancérigènes (Duguet et al., 1997).

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L'utilisation de l'extrait de graines de Moringa oleifera est une technique de purification de l'eau qui était déjà employée au siècle dernier par les femmes soudanaises (Jahn, 1988). Ainsi, en extrayant dans une solution aqueuse le contenu des graines séchées de Moringa oleifera, une plante tropicale appartenant à la famille des Moringaceae, on obtient un coagulant aux propriétés fortes intéressantes. Il existe une quarantaine de variétés de cette plante, certaines affichant de meilleures performances dans le traitement des eaux usées (Ndabigengesere et Narasiah, 1998). Plusieurs études (Fatombi et al., 2008 ; Saulawa et al., 2011 ; Mustapha, 2013 ; Gazawa, 2012 ; Passinri, 2012) montrent que cet extrait de plante offre de bons rendements pour réduire la turbidité, la présence de microorganismes, la dureté de l'eau et enfin pour le conditionnement des boues. La molécule active responsable des propriétés coagulantes est une protéine dimérique cationique de 13 kDa.

- Outre son utilisation comme coagulant, Moringa oleifera peut être utilisée comme plante médicinale et comme aliment (huile, légume);

- N'affecte pas significativement le pH, la conductivité, l'alcalinité, la concentration des ions, sauf pour les nitrates et les orthophosphates qui voient leurs concentrations augmenter durant la réaction;

- Comparée à l'alun, l'extrait de graine n'affecte pas le pH, il est donc moins corrosif;

- Le volume de boues produites est moins grand qu'avec l'alun et ces boues ne sont pas toxiques, elles peuvent donc être valorisées facilement;

- Le coût d'utilisation est beaucoup plus bas que les traitements chimiques. C'est donc une alternative envisageable tant pour les pays en développement (PED) que pour les pays avancés.

- L'extrait aqueux provenant des graines augmente considérablement la quantité de matière organique dans l'eau usée, ce qui cause des problèmes d'odeurs, de couleurs et de goût lorsque l'eau est stockée plus de 24 h. Il est donc recommandé d'utiliser un extrait contenant la protéine active uniquement pour traiter une eau qui sera consommée (Fortier et al., 2008) .

- Le développement de la technologie doit se faire à grande échelle pour que le coût de l'extraction de la protéine active soit abordable (Fortier et al., 2008).

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Suivant leur origine, les gommes sont des coagulants naturels qui peuvent être classées selon leur origine végétale, animale, microbienne ou synthétique (tableau 1). Les gommes d'origine végétale sont extraites des arbres, d'arbustes feuillus et des algues tandis que celles d'origine synthétiques sont obtenues par modification ou dérivation des gommes naturelles et par synthèse chimique (Glicksman, 1969). Certaines études reportent l'utilisation d'une gomme faite à base de la crème de Cocos nucifera (caséine acide) (Fatombi et al., 2007b) ou de raquettes de Cactus Opuntia ficus indica (Randrianandrasana, 2010) comme agent coagulant dans le traitement des eaux de surface riche en particules colloïdales. Ces produits d'origines naturelles semblent être des alternatives envisageables pour remplacer le sulfate de fer et d'aluminium, le chlorure ferrique ou les polymères à base d'aluminium en raison de leur biodégradabilité, leur coût peu élevé et de leur non toxicité pour l'homme et l'environnement. Les paramètres qui affectent le plus le rendement de ce genre de coagulant sont le pH et la dose utilisée.

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monomères constitutifs selon Glicksman (1969); Morley (1984) et Alistair (1995)
Origines	Gommes	Monomères constitutifs de gommes	Fonctions
Origine végétale * Exsudats de plantes Extrait de fruits Extrait de graines Extrait d'algues Céréales *tubercules	gomme arabique, gomme ghatti gomme karaya pectines Gomme guar Gomme caroube Agar Alginates Carraghénanes Amidons de blé, maïs, sorgho Amidons de pommes de terre	Galactose-arabinose-rhamnose-acide glucuronique Arabinose-galactose-mannose-xylose- acide glucuronique Rhamnose-galactose-acide galacturonique Acide galacturonique-rhamnose-galactose- arabinose-xylose Galactose-mannose Galactose-mannose Galactose-3,6-anhydro-Lgalactose Acide mannuronique-acide guluronique Galactose sulfaté-Galactose Glucose Glucose	Epaississant, stabilisant Epaississant, gélifiant Epaississant, stabilisant, émulsifiant, agent de suspension Epaississant, stabilisant, agent de suspension, gélifiant Epaississant
Origine microbienne	Dextrane, xanthane	Glucose, mannose, acide glucuronique	Gélifiant, épaississant
Origine animale	Gélatine caséinates	Tous les acides aminés sauf le tryptophane	Gélifiant, épaississant
Origine synthétique	dérivés de cellulose pectines méthylés amidons modifiés	Glucose Acide galacaturonique Glucose	Epaississant, gélifiant, encapsulant, stabilisant

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I.5. Valorisation de Triumfetta cordifolia comme biofloculant I.5.1. Généralité sur la plante Triumfetta cordifolia

Triumfetta cordifolia se rencontre en Afrique (figure 10) principalement depuis le Nigéria jusqu'à l'Ethiopie et à l'Erythrée et vers le sud jusqu'à l'Afrique du Sud et à Madagascar. Il est présent également en Asie méridionale et orientale où il est cultivé localement (Grubben et Denton, 2004). Cette plante se rencontre dans la lisière des peuplements forestiers, des savanes ou des bords des rivières. Cette plante et d'autres espèces de Triumfetta sont cultivées pour la récolte des jeunes tiges. On prélève au sommet

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des tiges récoltées, des boutures de 15 à 20cm de long, qui sont plantées à l'ombre d'un arbre car la plante ne pousse pas bien au soleil. Ces boutures sont plantées bien verticales pour éviter le développement des racines adventives qui réduit la production des gommes. Raison pour laquelle, certains agriculteurs attachent les boutures à d'autres plantes plus grandes ou à des poteaux pour s'assurer de leur position verticale. L'entretien de la plante se limite au simple désherbage et à des arrosages en période de sécheresse. La demande de feuilles et de jeunes tiges sur les marchés est limitée. Au Cameroun, la plupart des gens qui consomment la sauce de Nkui cultivent la plante chez eux, et la vente de la soupe préparée est bien plus lucrative que celle des jeunes tiges (Grubben et Denton, 2004). Cependant, aucune donnée statistique ne relate ni sa culture, ni du rendement de gomme qui en est extraite.

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I.4.Traitement des eaux de surfaces riche en particules colloïdales