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Comment appelle-t-on la technique qui permet l’élimination des particules en suspension ?

Coagulation et floculation

Les particules en suspension ne peuvent pas être éliminées complètement par simple décantation. Les grosses particules lourdes se déposent facilement, mais les particules plus petites et plus légères se déposent très lentement ou, dans certains cas, ne se déposent pas du tout. Pour cette raison, l’étape de sédimentation est généralement précédée d’un processus chimique appelé coagulation. Des produits chimiques (coagulants) sont ajoutés à l’eau pour rassembler les particules non décantables en masses solides plus grandes et plus lourdes appelées floc. Le sulfate d’aluminium (alun) est le coagulant le plus couramment utilisé pour la purification de l’eau. D’autres produits chimiques, comme le sulfate ferrique ou l’aluminate de sodium, peuvent également être utilisés.

La coagulation se fait généralement en deux étapes : le mélange rapide et le mélange lent. Le mélange rapide sert à disperser uniformément les coagulants dans l’eau et à assurer une réaction chimique complète. Parfois, on y parvient en ajoutant les produits chimiques juste avant les pompes, ce qui permet aux roues des pompes d’effectuer le mélange. Habituellement, cependant, un petit réservoir de mélange flash fournit environ une minute de temps de rétention. Après le mélange flash, une période plus longue d’agitation douce est nécessaire pour favoriser les collisions entre les particules et améliorer la croissance du floc.

Cette agitation douce, ou mélange lent, est appelée floculation ; elle est réalisée dans une cuve qui offre au moins une demi-heure de temps de rétention. Le réservoir de floculation est équipé de mélangeurs à palettes en bois qui tournent lentement sur un arbre horizontal entraîné par un moteur. Après la floculation, l’eau passe dans les bassins de sédimentation. Certaines petites stations de traitement de l’eau combinent la coagulation et la sédimentation dans une seule unité préfabriquée en acier appelée réservoir de contact des solides.

Filtration

Même après la coagulation et la floculation, la sédimentation ne permet pas d’éliminer suffisamment d’impuretés en suspension dans l’eau pour la rendre limpide. Le floc restant non décanté provoque une turbidité notable de l’eau et peut protéger les microbes de la désinfection. La filtration est un processus physique qui élimine ces impuretés de l’eau en la faisant percoler vers le bas à travers une couche ou un lit de matériau poreux et granulaire tel que le sable. Les particules en suspension sont piégées dans les pores du média filtrant, qui élimine également les protozoaires nuisibles et la couleur naturelle.

La plupart des approvisionnements en eau de surface nécessitent une filtration après les étapes de coagulation et de sédimentation. Toutefois, pour les eaux de surface dont la turbidité et la couleur sont faibles, un processus de filtration directe, qui n’est pas précédé d’une sédimentation, peut être utilisé.

Taille des particules dans les eaux naturelles

Les particules sont toujours présentes dans les eaux naturelles, en général, et dans les eaux superficielles, en particulier. Ce sont des particules d’origine minérale, organique ou biologique. Leurs tailles sont comprises entre quelques centièmes de micromètres et quelques millimètres.
On appelle « colloïdes » ou « particules colloïdales », les particules en suspension dont la taille s’étend de quelque 0,01 μm à quelques μm. Celles dont la taille est plus importante sont plutôt appelées « matières en suspension ».

La limite entre les deux classes n’est pas précise car elle dépend de la méthode de détermination des matières en suspension (décantation, centrifugation, filtration). La méthode peut dépendre, quant à elle, outre de la taille, de la nature des particules notamment de la densité et de la forme.

particules en suspension
Spectre de taille des particules dans les eaux naturelles

Matières décantables

Toute particules en suspension peut être théoriquement sédimentée (ou décantée) sous l’action de la pesanteur (gravité), mais à une vitesse qui dépend principalement de la taille et de la densité de la particule, ainsi que de la température de l’eau.

Taille des particules dans les eaux naturelles

Les particules sont toujours présentes dans les eaux naturelles, en général, et dans les eaux superficielles, en particulier. Ce sont des particules d’origine minérale, organique ou biologique. Leurs tailles sont comprises entre quelques centièmes de micromètres et quelques millimètres.


On appelle « colloïdes » ou « particules colloïdales », les particules en suspension dont la taille s’étend de quelque 0,01 μm à quelques μm. Celles dont la taille est plus importante sont plutôt appelées « matières en suspension » (ou particules en suspension) .
La limite entre les deux classes n’est pas précise car elle dépend de la méthode de détermination des matières en suspension (ou particules en suspension) (décantation, centrifugation, filtration). La méthode peut dépendre, quant à elle, outre de la taille, de la nature des particules notamment de la densité et de la forme.

particules en suspension
Spectre de taille des particules dans les eaux naturelles – particules en suspension à droite

Matières décantables

Toute particules en suspension peut être théoriquement sédimentée (ou décantée) sous l’action de la pesanteur (gravité), mais à une vitesse qui dépend principalement de la taille et de la densité de la particule, ainsi que de la température de l’eau.

Pour les particules en suspension dans les eaux naturelles, c’est généralement l’expression de STOKES (chute en régime laminaire) qui permet de calculer cette vitesse de sédimentation, connaissant les caractéristiques physiques de la particule (diamètre équivalent à la sphère de même volume, masse volumique ou densité) et la température de l’eau. Cette expression permet aussi d’évaluer le diamètre d’une particule connaissant sa masse volumique (ou sa densité), après mesure de sa vitesse dans une eau dont on connaît la température. C’est le diamètre équivalent à la sphère de même volume que la particule (dv).

vS = (ρS – ρL).g.dv 2/18.μL

vS : vitesse de sédimentation (m. s-1).

ρS et ρL : masses volumiques de la particule et de l’eau, respectivement (kg. m-3).

μL : viscosité dynamique de l’eau (Pa. s).

g = 9,81 m. s-2.

Les matières décantables globales peuvent être évaluées comme suit :

■ Principe :
Un certain volume d’eau est abandonné au repos pendant 2 heures. La quantité de matière décantée est déterminée par volumétrie.

■ Matériel spécial :
– Tamis module AFNOR n° 38 (mailles de 5 mm de côté).
– Cône d’Imhoff en verre, de 1 litre de capacité et gradué en millilitres.
– Cône de Coin : éprouvette constituée d’une partie conique de 19 cm de hauteur, dont l’angle au sommet de la génératrice et de l’axe est de 9°. La partie conique est surmontée d’une partie cylindrique (longueur : 30 cm ; diamètre intérieur : 6,5 cm).

■ Mode opératoire
Passer l’eau sur le tamis à mailles carrées de 5 mm de côté. L’homogénéiser et en verser 1 litre dans le cône maintenu vertical. Laisser décanter.
Effectuer plusieurs lectures du volume décanté, par exemple après 1 h, 1 h 30 et 2 h de sédimentation. Si le niveau arrive entre deux graduations, la teneur en matière sédimentable est le volume correspondant à la graduation inférieure.

■ Expression des résultats
Les résultats s’expriment en millilitres de matières décantées pour 1 litre d’eau. Certains auteurs définissent les matières décantables (pour 1 l d’eau) pour un temps de décantation fixé à 2 heures.

Comment calcul t’on les matière en suspension ?

La détermination des matières en suspension (particules en suspension) dans l’eau s’effectue par filtration ou par centrifugation. La méthode par centrifugation est surtout réservée aux eaux contenant trop de matières colloïdales pour être filtrées dans de bonnes conditions, en particulier si le temps de filtration est supérieur à une heure. Les deux méthodes ont leurs inconvénients respectifs liés à un certain nombre de facteurs.

Quelle que soit la méthode choisie, il est nécessaire pour obtenir une reproductibilité satisfaisante de respecter rigoureusement les conditions opératoires et d’utiliser le même type de matériel. D’une façon générale, les matières grossières en suspension doivent être préalablement éliminées par passage sur un tamis (module AFNOR 38) et les dépôts restant dans le flacon de prélèvement soigneusement repris. Il convient d’effectuer la détermination le plus rapidement possible après le prélèvement et de préférence sur la totalité de l’échantillon : rincer le flacon de prélèvement pour éviter les pertes.

Méthode par filtration sur fibre de verre

■ Principe
L’eau est filtrée et le poids de matières retenues par le filtre est déterminé par pesée différentielle.

■ Matériel spécial
– Dispositif de filtration sous vide ou sous pression (100 000 à 200 000 Pa).
– Disques filtrants en fibres de verre (plusieurs types de disques commerciaux sont disponibles, la porosité la plus communément utilisée est 1,2 μm).

■ Mode opératoire
Laver le disque de filtration à l’eau distillée, le sécher (105 °C) jusqu’à masse constante, puis le peser à 0,1 mg près après passage au dessiccateur. Le mettre en place sur l’équipement de filtration. Mettre en service le dispositif d’aspiration ou de pression. Verser l’échantillon ( V ) sur le filtre.
Rincer la fiole ayant contenu l’eau à analyser avec 10 mL d’eau permutée.
Faire passer sur le filtre cette eau de lavage.
Laisser essorer le filtre, sécher à 105 °C. Laisser refroidir au dessiccateur et peser à 0,1 mg près, jusqu’à masse constante.

■ Expression des résultats
La teneur de l’eau en matières en suspension ( particules en suspension) (mg / L) est donnée par l’expression suivante :

( (M1 – M0) /V ) × 1 000

M0 = masse du disque filtrant avant utilisation (mg).

M1 = masse du disque filtrant après utilisation (mg).

V = volume d’eau utilisé (mL).

Remarques
– Le volume filtré doit être d’au moins 100 mL et contenir au moins 1 mg de matières filtrables par centimètre carré de surface filtrante, sauf si le volume filtré est supérieur à 500 mL.
– En présence d’hydrocarbures, le filtre doit être lavé avec 2 fois 30 mL de chloroforme.
– Il est préférable de laisser décanter l’échantillon et de verser ensuite le dépôt sur le filtre.

Méthode par centrifugation

Lorsque les particules sont trop petites pour décanter sous l’action de la pesanteur, on peut les centrifuger, en substituant l’accélération gravitaire (g) par l’accélération centrifuge (ω2.R) définie encore par « K. g », avec :

K = ω2.R/g et ω = 2π. N/60

R : rayon de centrifugation (m).
N : nombre de tours par minute de la centrifugeuse.
ω : vitesse de rotation angulaire (rad. s-1).

■ Principe
L’eau est centrifugée à environ 3 000 g (soit 5 000 trs/min pour un rayon de centrifugation de 10 cm) pendant 20 minutes. Le culot est recueilli, séché à 105 °C et pesé. Il peut être ensuite calciné à 525 °C et pesé de nouveau.

■ Matériel spécial
– Centrifugeuse susceptible de 4 500 tr / min avec pots de 500 mL de préférence.
– Capsule de 100 mL verre borosilicaté, platine, ou silice (pour attaque acide).

■ Mode opératoire
Centrifuger un volume d’eau de façon à recueillir au moins 30 mg de matières. Séparer le liquide surnageant par siphonnage sans perturbation du dépôt et jusqu’à une hauteur de 10 mm de liquide au-dessus du dépôt.

Les culots de matières sont transvasés dans une capsule tarée. Rincer les tubes à centrifuger par 3 fois avec une petite quantité d’eau permutée (20 mL). Introduire les eaux de lavages avec les culots dans la capsule séchée à 105 °C. Évaporer l’eau de la capsule au bain-marie. Sécher à l’étuve à 105 °C jusqu’à masse constante. Laisser refroidir au dessiccateur.
Peser. Porter ensuite si nécessaire la capsule à 525 °C 25 °C pendant 2 heures. Laisser refroidir au dessiccateur et peser, jusqu’à masse constante.

■ Expression des résultats
Soit :
M1 la masse de la capsule vide ;
M2 la masse de la capsule pleine après dessiccation à 105 °C ;
M3 la masse de la capsule pleine après minéralisation à 525 °C ;

V le volume d’eau traitée en millilitres.
La teneur en milligrammes de matières totales en suspension ( particules en suspension) par litre d’eau est donnée par l’expression :

( M2 – M1) X (1 000 / V)

La teneur en milligrammes de ce qui est considéré comme les matières minérales par litre d’eau est donnée par l’expression :

( M3 – M1) X (1 000 / V)

La différence entre les matières totales et les matières minérales est considérée comme les matières organiques.

Méthode par ultra-centrifugation


L’ultra-centrifugation continue permet d’éviter la lenteur et le nombre des opérations inhérentes aux deux autres méthodes.

Examen microscopique du dépôt

L’examen microscopique se pratique sur le culot de centrifugation de l’eau. Les éléments susceptibles d’être rencontrés sont d’origine minérale, végétale ou animale.

Substances minérales : le dépôt est très souvent formé de carbonates terreux (Ca, Mg), de carbonate de fer plus ou moins hydraté. Ces sels qui étaient primitivement dissous à l’état d’hydrogénocarbonates ont été précipités par le départ d’anhydride carbonique.

Des matières siliceuses ou argileuses sont aussi retrouvées. Elles proviennent des terrains traversés et ont été entraînées mécaniquement. La détermination de ces corps est souvent impossible. Quand le dépôt est important, appliquer les méthodes habituelles d’analyse par séparation.

Substances végétales : ces substances sont constituées soit par les éléments mélangés à l’eau, soit par des organismes vivant dans l’eau. Parmi les premiers, il faut citer les débris de graines et de plantes ainsi que les
déchets domestiques ou industriels

Parmi les organismes végétaux qui vivent dans l’eau, les plus fréquents sont les algues (diatomées, chlorophycées, cyanophycées, chrysophycées, etc.).


Substances animales : l’eau peut contenir des fibres musculaires, des cellules épithéliales, des fragments d’insectes, des œufs de parasites, etc.
Mais en dehors de ces éléments transportés, existent dans l’eau des organismes animaux vivants : rhizopodes, infusoires, ciliés, rotifères, etc. D’une façon générale, ces différents éléments ne doivent pas être retrouvés dans une eau convenablement épurée, destinée aux usages domestiques.

Méthodes de référence :
NF EN 872 (juin 2005). Qualité de l’eau – Dosage des matières en suspension (ou particules en suspension) – Méthode par filtration sur filtre en fibres de verre.

NF T 90-105-2 (janvier 1997). Qualité de l’eau – Dosage des matières en suspension (ou particules en suspension) – Méthode par centrifugation.

Résidu total

La détermination du résidu sur l’eau non filtrée permet d’évaluer la teneur en matières dissoutes et en suspension d’une eau, c’est le résidu total. Si l’eau est filtrée préalablement à la mesure le résidu correspond alors aux matières dissoutes.

Turbidité (limite de qualité « Eau potable »)

La turbidité d’une eau est due à la présence des particules en suspension, notamment coloïdales : argiles, limons, grains de silice, matières organiques, etc. L’appréciation de l’abondance de ces particules mesure son degré de turbidité. Celui-ci sera d’autant plus faible que le traitement de l’eau aura été plus efficace.

La turbidité peut être évaluée par un certain nombre de méthodes qui sont pratiquées suivant les nécessités sur le terrain ou au laboratoire. Certaines méthodes comme celle « des gouttes de mastic » ou celle de Jackson (« candle turbidimeter ») n’ont plus qu’un intérêt historique, ayant été remplacées par l’emploi des turbidimètres optiques. Il est recommandé d’effectuer la mesure aussi rapidement que possible
après le prélèvement.


De toute façon, les échantillons doivent être agités vigoureusement avant la mesure. En raison des caractéristiques propres aux matières en suspension (ou particules en suspension), telles que taille, forme, indice de réfraction, couleur, etc., les difficultés de comparaison sont évidentes. Il en est de même si l’on veut rapprocher les mesures de turbidité des mesures de matières en suspension (ou particules en suspension). Il convient de signaler que la directive du Conseil des communautés européennes a retenu la méthode à la silice et celle à la formazine.

Mesure sur le terrain
La technique consiste à mesurer la profondeur à laquelle un repère cesse d’être visible. Ces méthodes ne sont pratiquement utilisées que pour fournir des informations sur les eaux de surface et les eaux résiduaires.

Méthode au fil de platine

■ Appareillage
Fil de platine de 1 mm de diamètre et de 25 mm de long, fixé au bout d’une chaîne de 1,20 m.

■ Mode opératoire
Mesurer la profondeur à laquelle le filament cesse d’être visible, l’œil de l’observateur étant placé à l’anneau terminal de la chaîne c’est-à-dire toujours à 1,20 m du fil de platine.

Méthode de Secchi

Cette méthode convient surtout pour les mesures en lacs et dans les ouvrages des stations de traitement et d’épuration des eaux.

■ Appareillage
Disque blanc (fonte émaillée, porcelaine…) de 200 mm de diamètre, possédant 6 trous de 55 mm chacun, répartis sur un cercle de 120 mm de diamètre.

■ Mode opératoire
Laisser descendre le disque et mesurer la profondeur à partir de laquelle il cesse d’être visible.

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laghouati

Laghouati Mohame El Amine Ingénieur d'état