Les nombreuses applications de l’électrofloculation dans le traitement de l’eau

Valérie Léveillé

Les solutions aux défis les plus pressants d’aujourd’hui viennent parfois de technologies utilisées depuis longtemps dans d’autres applications. L’une de ces technologies est l’électrofloculation, où « électro » renvoie au fait d’appliquer une charge électrique, et « floculation », au fait de causer l’agglomération de matière en suspension ou dissoute dans l’eau. Utilisée depuis la fabrication du premier appareil permettant de la réaliser dans les années 1940 (le premier brevet a été délivré en 1909 aux États-Unis), l’électrofloculation est aujourd’hui une technologie éprouvée dans les domaines de l’électrodéposition et de la métallurgie.

L’électrofloculation connaît maintenant une utilisation croissante dans un tout autre domaine : le traitement des eaux contaminées, notamment le lixiviat des sites d’enfouissement, les eaux usées industrielles, les eaux de cale huileuses, les eaux grises et les eaux noires des navires, les eaux usées municipales et les eaux grises ménagères traitées en vue de leur réutilisation. Récemment, Golder a commencé à appliquer cette technologie dans les secteurs des mines, des matières résiduelles solides et des transports.

Principe de fonctionnement

Il s’agit de faire passer de l’eau contaminée entre au moins une paire d’électrodes métalliques : une anode à charge positive et une cathode à charge négative, tel qu’illustré ci-dessous.

Processus d’électrofloculation (photo reproduite avec l’autorisation de E2Metrix)

Des ions métalliques à charge positive (cations) quittent l’anode et se lient aux contaminants à charge négative (anions) par attraction électrique, jusqu’à ce que les charges soient neutralisées. Du côté de la cathode, il y a hydrolyse, c’est-à-dire que des molécules d’eau sont scindées en ions hydrogènes et hydroxyles. Ensuite, les anions hydroxyles se combinent avec les cations métalliques pour former des hydroxydes métalliques qui adsorbent et absorbent les contaminants. Les hydroxydes métalliques se combinent en grand nombre pour former des flocons.

Les bulles d’hydrogène qui se forment à la cathode agitent ces flocons et les poussent vers le haut, ce qui les sépare de l’eau. Parfois, lorsqu’il n’y a pas assez de bulles d’hydrogène, les flocons se séparent simplement de l’eau par décantation. De plus, les contaminants chargés dissous dans l’eau peuvent être attirés par l’anode ou par la cathode et ainsi enlevés de l’eau.

Il en résulte de l’eau traitée qui, dans bien des cas, peut être rejetée dans l’environnement ou dans les égouts municipaux après un polissage minimal ou être réutilisée dans un procédé industriel comme eau de lavage, ou encore pour des usages domestiques autre que l’eau potable, par exemple la lessive, la chasse d’eau des toilettes et l’irrigation. Les contaminants sont éliminés sous forme de boues physico-chimiques qui, dans certains cas, peuvent être traitées pour en extraire des métaux pouvant être vendus pour récupérer une partie des coûts d’exploitation, ou qui peuvent être utilisées comme engrais, si leur qualité le permet.

Application de l’électrofloculation à d’autres problèmes du monde

Il y a maintenant des raisons de croire que cette technologie établie depuis longtemps dans des procédés industriels peut jouer un rôle important dans la résolution de problèmes liés à l’eau avec lesquels le monde est aux prises. Il y a de plus en plus de systèmes commerciaux utilisant l’électrofloculation pour le traitement de l’eau. De petites unités pour usage domestique en sont à la dernière étape du processus de développement. Elles pourraient servir par exemple dans les résidences situées loin des installations de traitement des eaux usées municipales. Des unités compactes et durables ont été mises au point pour le traitement des eaux usées à bord des navires, et elles continuent de fonctionner même lorsqu’un navire tangue et roule par gros temps. Des unités conteneurisées ont été mises à l’essai dans des bases militaires pour évaluer leur possibilité de déploiement rapide.

Système d’électrofloculation dans un conteneur (photo reproduite avec l’autorisation de E2Metrix)

Des systèmes d’électrofloculation à plus grande échelle ont été mis au point pour traiter le lixiviat des sites d’enfouissement et les eaux usées industrielles ainsi que l’eau de mine, c’est-à-dire l’eau s’écoulant d’une mine, qui contient souvent des sels, des métaux et de l’azote ammoniacal.

Des études récentes montrent que le processus d’électrofloculation peut être modifié dans le but d’enlever de l’eau certains contaminants précis. À titre d’exemple, des anodes de magnésium permettent d’éliminer l’azote ammoniacal au cours du processus de formation par électrofloculation de struvite (une molécule composée d’orthophosphate, d’ammonium et de magnésium en concentrations équimolaires).

De plus, ces dernières années, des améliorations importantes ont été apportées aux méthodes de nettoyage des anodes et des cathodes afin d’enlever les contaminants et les débris de leur surface de manière à ce qu’elles conservent leur capacité de libérer des cations, des ions hydroxyles et des bulles d’hydrogène.

L’électrofloculation permet d’éliminer les contaminants solubles et en suspension, et le processus fonctionne pour une vaste gamme de contaminants. Cela comprend de nombreux contaminants difficiles à éliminer par d’autres méthodes, notamment le cyanure, le fluorure, le soufre et les phénols. L’électrofloculation est donc une bonne solution, surtout lorsqu’il y a un flux de matières résiduelles contenant de nombreux contaminants différents et qu’il faut traiter l’eau à l’aide d’un seul procédé.

Les chercheurs ont récemment découvert qu’il est possible de « peaufiner » le processus en utilisant des anodes et des cathodes faites de divers métaux afin d’éliminer des contaminants préoccupants donnés. Cela comprend l’utilisation d’anodes de magnésium pour appuyer l’élimination de l’azote ammoniacal et d’électrodes de zinc pour éliminer les alkyles perfluorés et polyfluorés, mieux connus sous l’acronyme anglais « PFAS ».

Contrairement à la floculation chimique, l’électrofloculation n’exige pas l’ajout de produits chimiques, sauf lorsqu’il faut éliminer des contaminants particuliers, comme l’azote ammoniacal à l’aide du processus de formation de struvite, si l’eau ne contient pas suffisamment de magnésium ou d’orthophosphate. Et contrairement aux traitements biologiques, l’électrofloculation est instantanée : il suffit d’actionner un interrupteur pour mettre les choses en branle. De plus, le temps de passage dans le réacteur d’électrofloculation est assez court : 20 minutes ou moins, ce qui en fait un système compact et efficace. En outre, la consommation d’électricité est plutôt raisonnable, de l’ordre de 1 kW/m3 ou moins, selon la conductivité électrique de l’eau.

Solution concurrentielle sur le plan des coûts?

À l’heure actuelle, la structure de coûts de l’électrofloculation fait que cette technologie est surtout utilisée pour les flux d’eaux usées particulièrement difficiles à traiter, desquels plusieurs contaminants doivent être éliminés simultanément. Cependant, l’éventail des problèmes pour lesquels l’électrofloculation est une solution concurrentielle s’élargit rapidement en raison de l’amélioration du rendement et de la fiabilité du processus pour divers flux d’eaux usées. Le coût de l’électrofloculation varie en fonction de la nature, de la conductivité électrique et du volume des eaux usées à traiter et se situe généralement entre deux et trois cents US le mètre cube, ce qui est concurrentiel par rapport au coût des traitements commerciaux habituels et nouveaux, comme le charbon actif granulé et autres milieux adsorbants, la floculation chimique et l’osmose inverse, entre autres.

En général, on peut dire que l’électrofloculation est une nouvelle solution de rechange aux traitements habituels comme les traitements biologiques, les filtrations et la floculation chimique. Ses principaux avantages par rapport à ceux-ci sont son empreinte relativement faible, sa modularité, sa robustesse et sa rapidité, sans ajouts de produits chimiques. Toutefois, l’électrofloculation ne répond pas à tous les besoins en matière de traitement des eaux usées et, par conséquent, sa faisabilité doit être évaluée par rapport à celle d’autres méthodes de traitement.

Le travail de recherche et développement effectué par Golder contribue à repousser les limites de l’électrofloculation pour le traitement de l’eau, en la rendant plus pratique, plus utile et plus concurrentielle. Il s’agit entre autres de la conception d’un système de traitement qui devrait entrer en fonction au printemps 2019 et qui utilise l’électrofloculation pour le traitement d’eaux souterraines contaminées par du lixiviat provenant d’un site d’enfouissement municipal. Golder a également démontré le caractère pratique de l’électrofloculation pour le traitement de l’eau de mine aux étapes des essais en laboratoire et du projet pilote ainsi que de son application à des projets de transport, ayant contribué à améliorer l’efficacité d’un système d’électrofloculation utilisé pour le traitement d’eaux usées contenant de l’huile et de la graisse ainsi que d’agents de surface utilisés pour le lavage de gros véhicules de transport comme les wagons de train.

Valérie Léveillé

À Propos De L’auteur

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