Dans les opérations de traitement des eaux usées, les polymères sont couramment utilisés comme agents floculants pour agglomérer les particules de boues en flocs plus volumineux. L'optimisation du processus de floculation demeure un défi majeur, tant sur le plan financier, opérationnel qu'environnemental. Les polymères cationiques à base de polyacrylamide (CPAM) de très haut poids moléculaire sont largement employés comme floculants en raison de leur efficacité à former des flocs robustes, facilitant la séparation et améliorant l'épaississement et la déshydratation des boues. Cette étude a mis en évidence la capacité des CPAM à se dégrader au contact de différentes surfaces métalliques. Cette conclusion découle de l'observation de changements significatifs de leurs propriétés rhéologiques, où un passage d'un comportement élastique à un comportement visqueux est évident. La viscosité à faible cisaillement diminue drastiquement au fil du temps entrainant des modifications du temps de relaxation et de l'indice de rhéofluidification. Cette dégradation est prononcée au contact de surfaces métalliques tandis que les surfaces thermoplastiques induisent un effet négligeable, avec la température agissant comme catalyseur.
Des protocoles de caractérisation des propriétés rhéologiques intrinsèques de ces matériaux ont été mis en place et feront désormais référence pour l'analyse du comportement rhéologique de ces polymères au sein des laboratoires du SIAAP. Un dispositif expérimental a été développé pour suivre en temps réel la structuration des flocs sous agitation orbitale. La méthode s'appuie sur la mesure de l'absorption lumineuse par les flocs, selon un principe apparenté à la loi de Beer-Lambert. Trois étapes distinctes ont ainsi été identifiées : une phase de mélange, de floculation et de clarification. Les résultats attestent du rôle déterminant des propriétés d'écoulement du polymère, en particulier sa viscosité spécifique et sa sensibilité au cisaillement, dans l'efficacité de la floculation. Ils révèlent une corrélation forte entre le temps caractéristique de cisaillement (τₛₕₑₐᵣ), les temps caractéristiques du mélange (τₘᵢₓ) et de la floculation (τfloc). Cette thèse a également mis en lumière l'effet de la dégradation du CPAM sur les procédés de floculation, d'épaississement et de déshydratation des boues. La dégradation chimique du CPAM impacte significativement la dynamique de mélange boue/polymère, en réduisant les temps de mélange et en accélérant la floculation. Elle induit des modifications notables dans la morphologie des flocs, qui évoluent d'une structure branchée et filamenteuse vers une structure isotrope et dispersée, entraînant une réduction de la taille des flocs générés. De plus, cette dégradation permet une réduction substantielle des quantités de floculant nécessaires pour obtenir une floculation complète. C
e phénomène perturbe toutefois l'épaississement des flocs, compromettant la séparation solide/liquide et réduisant l'efficacité de la clarification. Cependant, sous pression, il confère aux boues un caractère plus perméable, ce qui facilite la libération de l'eau et améliore les performances de déshydratation. Cette étude a établi aussi des corrélations entre les propriétés intrinsèques et comportementales des flocs, révélant qu'une réduction de leur taille (CED) ralentit la cinétique d'extraction gravitaire de l'eau. En apportant un éclairage sur une thématique encore peu explorée, cette thèse a permis de lever plusieurs verrous relatifs à la compréhension des mécanismes de floculation et à la maîtrise du comportement des flocs, aspects souvent négligés dans les pratiques de pilotage des ouvrages à l'échelle industrielle. Cette démarche incarne les priorités actuelles en matière de gestion durable des boues et de réduction de l'impact environnemental, en phase avec les objectifs définis par la directive-cadre sur l'eau et par la transition écologique nationale.