Quelles sont les utilisations du sulfate d'aluminium dans le traitement de l'eau ?

Comment le sulfate d'aluminium fonctionne comme coagulant dans le traitement de l'eau

Comprendre la coagulation et le rôle du sulfate d'aluminium dans la désactivation des particules en suspension

Le traitement de l'eau commence par la coagulation, un processus qui rassemble les petites impuretés afin qu'elles puissent être éliminées ultérieurement. L'alun fonctionne très bien ici car, lorsqu'il se dissout, il libère des ions d'aluminium trivalents (Al³⁺) qui annulent essentiellement les charges négatives des particules en suspension dans l'eau, comme les particules d'argile, des fragments de matière organique, et même certains microbes nocifs. Lorsque ces charges sont neutralisées, les particules cessent de se repousser et commencent à s'agglomérer pendant la phase de mélange rapide, qui dure généralement une à deux minutes. La plupart des usines de traitement de l'eau obtiennent les meilleurs résultats avec l'alun lorsque le pH de l'eau se situe entre 5,5 et 7,5. La quantité d'alun nécessaire varie toutefois beaucoup, généralement entre 50 et 300 milligrammes par litre, selon la turbidité de l'eau et le type de contaminants présents.

Mécanisme chimique du sulfate d'aluminium dans la formation des flocs et l'élimination des impuretés

Une fois les charges équilibrées, l'alun commence à se décomposer par hydrolyse, ce qui crée de l'hydroxyde d'aluminium (Al(OH)3). Cette substance forme un solide de type gel très efficace pour piéger les éléments que nous souhaitons éliminer de l'eau. Au fur et à mesure que ces petits agrégats appelés flocs se développent, ils peuvent atteindre une taille comprise entre un demi-millimètre et trois millimètres, ce qui facilite leur décantation dans les bassins de traitement. Lorsque tout fonctionne correctement, cette méthode élimine environ 85 % jusqu'à la totalité de la turbidité des échantillons d'eau et permet de retirer environ deux tiers à quatre cinquièmes des composés organiques indésirables. Des études montrent que ces flocs d'hydroxyde adhèrent à divers polluants dissous, tels que les ions phosphate et différents types de métaux lourds, en formant des liaisons à leur surface. Cette action d'adsorption améliore effectivement l'efficacité globale du système de purification.

Comparaison avec d'autres coagulants : efficacité, coût et considérations pratiques

Le chlorure ferrique peut éliminer presque tout le phosphore de l'eau, parfois jusqu'à 98 %, ce qui est bien supérieur à l'alun, qui permet d'en éliminer environ 70 à 85 %. L'inconvénient, cependant, est que le chlorure ferrique corrode les tuyaux et les équipements beaucoup plus rapidement, ce qui oblige les municipalités à dépenser davantage en réparations et remplacements. Les polymères synthétiques constituent une autre option offrant une eau très claire avec peu de boues résiduaires après traitement, mais ces matériaux ont un coût élevé qui les rend peu pratiques pour la plupart des stations d'épuration courantes. C'est pourquoi de nombreuses villes continuent d'utiliser l'alun malgré l'existence d'alternatives plus récentes. L'alun existe depuis des décennies, fonctionne de manière fiable sans procédures de mise en place complexes, et ne surcharge pas le budget comme certains des choix plus sophistiqués. Pour les gouvernements locaux aux ressources limitées et confrontés à des infrastructures vieillissantes, continuer d'utiliser ce qu'ils connaissent reste une décision logique, même si ce n'est pas techniquement la solution la plus performante disponible.

Préoccupations environnementales : aluminium résiduel et sécurité à long terme de l'eau traitée

L'Organisation mondiale de la Santé a établi un niveau maximal admissible de 0,2 milligramme par litre pour l'aluminium résiduel dans l'eau du robinet, en raison des préoccupations concernant d'éventuels effets sur la fonction cérébrale à long terme. Les usines de traitement de l'eau qui utilisent des techniques de filtration plus récentes peuvent réduire ces traces d'aluminium d'environ 70 à peut-être même 90 pour cent par rapport aux méthodes plus anciennes. Le suivi du pH tout au long du processus et l'ajout d'une étape supplémentaire avec des membranes spéciales après le traitement permettent de garantir le respect de ces limites sécuritaires fixées par les autorités sanitaires. Cela préserve la santé des personnes sans réduire l'efficacité globale du processus de purification.

Amélioration de la clarté de l'eau et élimination de la turbidité dans les systèmes municipaux d'approvisionnement en eau

Le sulfate d'aluminium reste un choix courant pour le traitement de l'eau dans les villes, car il permet de réduire la turbidité de l'eau d'environ 90 %. En effet, il neutralise les charges électriques des particules fines telles que les fragments d'argile, la poussière et même certains micro-organismes présents dans l'approvisionnement en eau. Ces particules s'agglomèrent alors pour former de plus gros flocons qui se déposent plus facilement. Des recherches publiées en 2021 ont montré que, lorsqu'il est correctement appliqué, le niveau de turbidité peut descendre en dessous de 0,3 NTU, ce qui correspond aux recommandations de l'Organisation mondiale de la Santé pour une eau potable claire. Cette efficacité réduit la charge supportée par les filtres en aval du système. Les stations de traitement fonctionnent ainsi mieux globalement et réalisent des économies, un point particulièrement important pour les grands réseaux urbains qui fournissent de l'eau à des millions de personnes chaque jour.

Élimination de la matière organique, des agents pathogènes et des métaux lourds par coagulation

Le fonctionnement de l'alun en matière de coagulation permet d'éliminer simultanément divers types de contaminants. Les matières organiques dissoutes dans l'eau s'attachent aux flocs d'hydroxyde d'aluminium formés pendant le traitement. De plus, les bactéries telles que E. coli ainsi que des parasites comme Giardia sont également piégés physiquement lors de ce processus. Lorsque le pH reste compris entre 6,5 et 7,5, des études indiquent des taux d'élimination compris entre 85 % et 92 % pour les métaux lourds tels que le plomb, l'arsenic et le chrome. Ce qui rend cette méthode particulièrement intéressante, c'est qu'elle traite plusieurs polluants en même temps, réduisant ainsi le besoin de désinfection supplémentaire. Toutefois, il est crucial de bien doser l'alun, car un excès d'aluminium résiduel pourrait dépasser la limite sûre de 0,2 mg par litre, ce qui serait préjudiciable pour la santé.

Amélioration de l'efficacité de la décantation et de la filtration après traitement à l'alun

Lorsqu'ils sont traités à l'alun, les flocs ont tendance à se déposer environ 40 à 60 % plus rapidement dans les bassins de décantation par rapport aux particules non traitées, ce qui améliore considérablement la séparation des solides. Le dépôt plus rapide signifie que les filtres s'obstruent moins fréquemment, ce qui leur permet de fonctionner plus longtemps avant d'avoir besoin d'être nettoyés, réduisant ainsi le lavage inverse d'environ 30 %. Ce qui est intéressant, c'est que la consistance collante des flocs d'hydroxyde d'aluminium agit comme une couche de filtration supplémentaire au sein des lits de sable. Ces flocs capturent des particules minuscules de moins d'un micromètre qui auraient échappé à l'étape initiale de coagulation. L'ensemble de ces améliorations fait qu'un système de traitement performant peut effectivement éliminer plus de 99,9 % de toutes les particules présentes dans l'eau traitée finale.

Élimination efficace du phosphore dans les eaux usées municipales et industrielles

L'alun fonctionne assez bien pour éliminer le phosphore grâce à ces réactions d'échange de ligands que nous évoquons si souvent dans les cercles du traitement de l'eau. En substance, lorsque les ions Al3+ entrent en contact avec les ions orthophosphate (PO4^3-), ils se combinent pour former du phosphate d'aluminium (AlPO4), qui n'est pas soluble dans l'eau. Ce composé précipite ensuite et est éliminé par filtration mécanique. En analysant des données provenant de 45 stations d'épuration différentes en Europe, les chercheurs ont constaté que l'utilisation d'alun permettait de réduire la concentration totale en phosphore en dessous de 0,5 mg/L dans environ 88 % de ces installations. Cela correspond effectivement aux exigences de la directive-cadre européenne sur l'eau concernant les normes de qualité de l'eau. Ce produit est particulièrement efficace pour traiter les effluents provenant des industries agroalimentaires et textiles, car leurs rejets contiennent souvent des concentrations extrêmement élevées de phosphore, dépassant parfois largement 15 mg/L lors des analyses.

Réduction de la turbidité et des contaminants dans les flux d'eaux usées à forte charge

L'action double de coagulation-floculation de l'alun le rend adapté au traitement des eaux usées complexes et fortement chargées :

• Solutions colloïdales : Neutralise les particules chargées négativement dans les eaux dont la turbidité dépasse 1 000 NTU
• Métaux lourds : Métaux lourds : Co-précipite les ions Pb²⁺ et Cr³⁺ par formation d'hydroxydes à un pH compris entre 9 et 9,5
• Charges organiques : Réduit la demande chimique en oxygène (DCO) de 65 à 80 % dans les effluents de papeterie grâce à la liaison avec la lignine et les protéines

Des données de terrain provenant de sept parcs industriels en Chine montrent que l'alun permet une élimination de 98 % des matières en suspension totales (MST) dans les flux dont la teneur initiale en solides dépasse 5 000 mg/L, démontrant ainsi des performances robustes dans des conditions exigeantes.

Étude de cas : Mise en œuvre réussie dans des stations d'épuration urbaines

Une station municipale européenne desservant 1,2 million d'habitants a obtenu des améliorations significatives après être passée à la coagulation par sulfate d'aluminium. Traitant 300 000 m³/jour d'eaux usées, l'installation a signalé :

Au cours d'un essai de 18 mois, l'usine a maintenu des niveaux résiduels d'aluminium inférieurs à 0,2 mg/L tout en atteignant une élimination du phosphore de 94 % et une réduction de la DCO de 82 %, confirmant ainsi l'efficacité et la viabilité économique de l'alun dans la gestion des eaux usées à grande échelle.

Optimisation des performances du sulfate d'aluminium : dosage, pH et conditions de l'eau

Plage de pH idéale et stratégies de dosage pour une efficacité maximale de la coagulation

Les meilleurs résultats pour la coagulation sont obtenus lorsque le niveau de pH reste compris entre environ 5,5 et 7,5. Dans cette plage, le processus devient beaucoup plus efficace, s'améliorant parfois de 40 à 60 pour cent par rapport aux situations en dehors de ces valeurs. En ce qui concerne la quantité d'alun à utiliser, la plupart des traitements prévoient entre 5 et 200 milligrammes par litre. Toutefois, si l'eau est très trouble ou contient de nombreux contaminants, certaines situations peuvent nécessiter jusqu'à 500 mg/L. Pour déterminer précisément ce qui fonctionne le mieux dans un lieu donné, l'essai en jarre reste l'une des méthodes les plus fiables disponibles. Cela permet d'éviter d'utiliser trop d'alun, ce qui pourrait laisser une concentration excessive d'aluminium dans l'eau, dépassant ainsi la limite sûre de 0,2 mg/L fixée par l'Organisation mondiale de la santé. Dès que le pH dépasse 7,5, toutefois, des problèmes apparaissent car l'hydroxyde d'aluminium devient moins soluble. Cela rend la formation de flocs adéquats plus difficile et réduit finalement l'efficacité globale du traitement.

Influence de la température de l'eau, de l'alcalinité et de la composition ionique

L'eau dont la température reste inférieure à 10 degrés Celsius ralentit considérablement la vitesse des réactions pendant les processus de traitement. Cela signifie que les flocs se forment beaucoup plus lentement, parfois jusqu'à 30 à 50 pour cent plus longtemps que d'habitude, et les opérateurs doivent également prolonger le temps de mélange. En ce qui concerne les niveaux d'alcalinité, ils jouent un rôle important pour empêcher le système de devenir trop acide après l'ajout d'alun. Si l'alcalinité tombe en dessous de 50 milligrammes par litre exprimés en carbonate de calcium, la plupart des usines de traitement doivent ajouter de la chaux ou de la soude caustique afin de maintenir un pH suffisamment stable pour un fonctionnement adéquat. Un autre défi apparaît lorsque la force ionique de l'eau est élevée, supérieure à 1000 microsiemens par centimètre. Cette condition comprime en réalité les fines couches électriques entourant les particules, ce qui réduit leur capacité à s'agglomérer efficacement. Le résultat ? La coagulation fonctionne environ 40 pour cent moins bien dans ces conditions. L'ensemble de ces variables explique pourquoi la mise en place de systèmes de surveillance en temps réel performants fait une grande différence, notamment pour les installations confrontées à des qualités d'eau changeantes selon les saisons.

Avantages et défis liés à l'utilisation du sulfate d'aluminium dans le traitement de l'eau

Principaux avantages : rentabilité, fiabilité et polyvalence dans les différents systèmes de traitement

L'alun, ou sulfate d'aluminium, se distingue comme un coagulant économique et fiable utilisé dans de nombreuses installations de traitement de l'eau, tant municipales qu'industrielles. Comparé à des options telles que le chlorure ferrique, il réduit les coûts d'exploitation d'environ 30 à 50 pour cent, tout en maintenant des taux d'élimination supérieurs à 95 % pour des éléments tels que la turbidité et les agents pathogènes nocifs. Ce qui rend cette substance si polyvalente, c'est son efficacité, qu'il s'agisse de petits systèmes d'eau ruraux ou de grandes stations d'épuration urbaines. Les opérateurs peuvent ajuster les doses en fonction de la qualité de l'eau rencontrée au quotidien. Lorsque le pH reste dans la plage optimale d'environ 5,5 à 7,5, l'alun parvient à éliminer environ 70 à 90 % des contaminants organiques indésirables. Et soyons honnêtes, lorsque le budget est une priorité, l'alun s'avère souvent nettement supérieur aux solutions PAC pour les installations soucieuses de leurs dépenses.

Limites courantes : production de boues, besoin de réglage du pH et considérations environnementales

L'alun présente toutefois certains inconvénients. Il génère environ 15 à 30 % de boues en plus par rapport aux polymères synthétiques, ce qui implique des coûts d'élimination plus élevés et une logistique plus complexe pour la gestion des déchets. Lorsque l'alun se décompose dans les procédés de traitement de l'eau, il abaisse en réalité le pH. Pour contrer cet effet, les installations de traitement doivent dépenser de l'argent en substances alcalines telles que la chaux. Ces achats de produits chimiques peuvent représenter près de 20 % de leur budget de fonctionnement total, uniquement pour maintenir l'eau à un niveau d'acidité adéquat. Les organismes de réglementation environnementale surveillent attentivement la quantité d'aluminium restant dans l'eau traitée après traitement, rendant ainsi essentiel le respect de la recommandation de l'Organisation mondiale de la santé, qui préconise une concentration maximale de 0,2 mg par litre. La bonne nouvelle est que des recherches récentes montrent que lorsque les opérateurs affinent leurs méthodes de dosage et les associent à des systèmes de filtration plus récents, ils peuvent réduire la production de boues d'environ 40 %. Cette approche permet également de respecter les normes importantes de l'EPA et de l'AWWA en matière d'eau potable sûre, sans compromettre la qualité.

Questions fréquemment posées

Quel est le rôle principal du sulfate d'aluminium dans le traitement de l'eau ?

Le sulfate d'aluminium agit comme un coagulant dans le traitement de l'eau, aidant à déstabiliser les particules en suspension afin qu'elles puissent être efficacement éliminées par des procédés de traitement ultérieurs.

Comment le sulfate d'aluminium affecte-t-il les niveaux de pH de l'eau traitée ?

Le sulfate d'aluminium a tendance à abaisser les niveaux de pH de l'eau traitée, c'est pourquoi les installations doivent souvent ajouter des substances alcalines comme la chaux pour maintenir une plage de pH optimale pour un traitement efficace.

Existe-t-il des préoccupations environnementales liées à l'utilisation du sulfate d'aluminium ?

Oui, l'aluminium résiduel dans l'eau traitée est une préoccupation, car il peut avoir des effets potentiels sur la santé. Les systèmes de traitement visent donc à maintenir les concentrations résiduelles en dessous de 0,2 mg/L, comme recommandé par l'Organisation mondiale de la santé.

Pourquoi le sulfate d'aluminium est-il préféré à d'autres coagulants malgré ses limites ?

Le sulfate d'aluminium est rentable, fiable et polyvalent, ce qui en fait un choix privilégié pour de nombreuses municipalités, notamment celles confrontées à des contraintes budgétaires et disposant d'une infrastructure existante.