Le Traitement Des Eaux. OP

Cours : Traitement des eaux/Prof MAKENGO

I.B.T.P.

Cours TRAITEMENTS DES EAUX (45 HEURES) Niveau : 2è Ingénieur BTP

Prof

: Docteur MAKENGO

Téléphone

: 0812143033

Email

: [email protected]

Etudiant

: Ir. OMEONGA LUNDEKI

Téléphone

: 09 99 35 79 46

Email

: [email protected] [email protected]

ANNEE ACADEMIQUE 2009 – 2010

Etudiant : OMEONGA TP5 /IBTP 2009 -2010



LE TRAITEMENT DES EAUX PLAN D'EXPOSE (par Ir. OMEONGA) OMEONGA)

L'eau est une ressource naturelle non renouvelable. Elle est nécessaire à la vie, il est donc essentiel de la préserver. Quels risques de pollution les activités humaines lui font-elles courir ? Quelles mesures peut-on prendre pour réduire ces pollutions ? Comment faire pour la rendre potable ? 1. Une nécessité pour l'environnement 1.1. L'eau, ressource indispensable et menacée La consommation d'eau consommation d'eau ne cesse d'augmenter d' augmenter sous sous l'effet du développement économique. économique. Les usages sont multiples : domestiques (cuisine, sanitaire, lave-linge, arrosage des jardins, etc.), agricoles (irrigation), industriels (refroidissement des centrales nucléaires, fabrication de la pâte à papier, etc.). L'eau consommée ne disparaît pas : elle est restituée d'une façon ou d'une autre au cycle de l'eau. Mais elle n'a plus forcément la même qualité qu'avant d'être consommée : certains usages polluent l'eau. Cette pollution a deux conséquences : elle dégrade le milieu naturel aquatique (cours d'eau, lacs, océans) où certaines espèces disparaissent et d'autres prolifèrent ; elle rend impropre à la consommation humaine une partie toujours plus importante des eaux douces, à la fois des eaux de surface (cours d'eau) et des réserves souterraines (nappes phréatiques). phréatiques).

1.2. Le rôle du traitement des eaux Conformément à l’approche du cours d’Assainissement Urbain /IBTP, on parle de la Nécessité

de traiter les traiter les eaux usées, c'est-à-dire les rejeter dans l'environnement telles qu'elles y ont été puisées. La loi, en France, fait de ce traitement une obligation : toutes les sorties directes d'égouts dans l'environnement doivent disparaître. Cela ne résout le problème que très partiellement. La plupart des pollutions agricoles obligent à chercher d'autres solutions : la pollution par les engrais (nitrates), par exemple, frappe les eaux des ruissellements (eaux de pluie) qu'on ne peut collecter.

2. La filière de traitement des eaux 2.1. Les techniques d'épuration L'eau collectée par les égouts est conduite à une usine de traitement appelée couramment station d'épuration. d'épuration. Les plus efficaces emploient des techniques nombreuses et parfois coûteuses. Souvent, les communes s'associent et obtiennent une aide de l'État ou d'autres collectivités territoriales pour construire et gérer ensemble une station : presque toutes celles d'Île-de-France sont ainsi raccordées à la station d'Achères.



LE TRAITEMENT DES EAUX PLAN D'EXPOSE (par Ir. OMEONGA) OMEONGA)

L'eau est une ressource naturelle non renouvelable. Elle est nécessaire à la vie, il est donc essentiel de la préserver. Quels risques de pollution les activités humaines lui font-elles courir ? Quelles mesures peut-on prendre pour réduire ces pollutions ? Comment faire pour la rendre potable ? 1. Une nécessité pour l'environnement 1.1. L'eau, ressource indispensable et menacée La consommation d'eau consommation d'eau ne cesse d'augmenter d' augmenter sous sous l'effet du développement économique. économique. Les usages sont multiples : domestiques (cuisine, sanitaire, lave-linge, arrosage des jardins, etc.), agricoles (irrigation), industriels (refroidissement des centrales nucléaires, fabrication de la pâte à papier, etc.). L'eau consommée ne disparaît pas : elle est restituée d'une façon ou d'une autre au cycle de l'eau. Mais elle n'a plus forcément la même qualité qu'avant d'être consommée : certains usages polluent l'eau. Cette pollution a deux conséquences : elle dégrade le milieu naturel aquatique (cours d'eau, lacs, océans) où certaines espèces disparaissent et d'autres prolifèrent ; elle rend impropre à la consommation humaine une partie toujours plus importante des eaux douces, à la fois des eaux de surface (cours d'eau) et des réserves souterraines (nappes phréatiques). phréatiques).

1.2. Le rôle du traitement des eaux Conformément à l’approche du cours d’Assainissement Urbain /IBTP, on parle de la Nécessité

de traiter les traiter les eaux usées, c'est-à-dire les rejeter dans l'environnement telles qu'elles y ont été puisées. La loi, en France, fait de ce traitement une obligation : toutes les sorties directes d'égouts dans l'environnement doivent disparaître. Cela ne résout le problème que très partiellement. La plupart des pollutions agricoles obligent à chercher d'autres solutions : la pollution par les engrais (nitrates), par exemple, frappe les eaux des ruissellements (eaux de pluie) qu'on ne peut collecter.

2. La filière de traitement des eaux 2.1. Les techniques d'épuration L'eau collectée par les égouts est conduite à une usine de traitement appelée couramment station d'épuration. d'épuration. Les plus efficaces emploient des techniques nombreuses et parfois coûteuses. Souvent, les communes s'associent et obtiennent une aide de l'État ou d'autres collectivités territoriales pour construire et gérer ensemble une station : presque toutes celles d'Île-de-France sont ainsi raccordées à la station d'Achères.



Le cours de « traitement des eaux » enseigner à l’IBTP par le prof MAKENGO, doit se baser sur la maitrise de la Filière de traitement des eaux en vue de permettre à la population de consommer une eau potable : L'eau est d'abord filtrée par des grilles de plus en plus fines, qui retiennent tous les déchets solides. Les déchets en suspension (petites particules dans l'eau) ou solubles (produits entièrement mélangés à l'eau) doivent être séparés par d'autres méthodes : décantation, floculation, traitement par des bactéries etc... À la suite de plusieurs filtrages et décantations, l'eau peut être rejetée dans un cours d'eau. Elle n'est plus dangereuse pour l'environnement, mais elle n'est pas pour autant potable. Si elle est pompée ensuite pour la consommation humaine, elle devra subir d'autres traitements (nouveaux filtrages, chlorage, chlorage, etc.). Les déchets séparés de l'eau ne sont pas tous des déchets ultimes. Les boues de décantation, en particulier, sont utilisées comme engrais. Il arrive également qu'on les laisse fermenter pour produire du méthane, gaz combustible.

NB : 

Les fosses septiques, septiques, où les eaux décantent et où des bactéries absorbent les déchets, remplissent à plus petite échelle le rôle des stations d'épuration



En RDC, la REGIDESO a REGIDESO a l'obligation d'assurer l'approvisionnement des habitations en eau potable (adduction d'eau),

PLAN DU COURS (Par le Prof MAKENGO) Le cours « Traitements des Eaux » que nous étudions comprend 2 grandes parties : 1. Potabilisation des eaux brutes (30h) :  traitement Procédés physico-chimiques des eaux brutes en vue de trouver les eaux potables o 2. Dépollution (épuration) des eaux usées (15h) :  Assainissement o Procédés biologiques ou la bio filtration eaux rejetés par diverses industries



PRE REQUIS Au 19ème siècle, même en Europe, On définissait L’EAU POTABLE comme une eau : Incolore, Inodore, Limpide, Claire … Mais sans oublier que cette eau pourrait être dangereuse. Par conséquent on a remarqué des maladies comme « Le Saturnisme » qui est provoqué par l’eau.

Saturnisme : Manque d’intelligence scolaire ; appelé aussi en lingala : « Goy-goy ».

LA FILIERE DES TRAITEMENTS DES EAUX La filière des traitements des eaux peut être représentée par le schéma suivant :

Micro tamisage Retenir ou arrêter les grosses particules

Coagulation Floculation Eliminer la turbidité et la couleur dans l’eau

DécantationFlottation Séparation des particules (boues et sables) dont la densité est supérieure à celle de l’eau (voir DESSABLEUR) DESSABLEUR)

Colloïdes déstabilisés et agglomérés « FLOC »

Filtration Arrêter toutes les particules dont la densité est inférieure à celle de l’eau (1000 Kg/m3) afin d’obtenir l’eau clarifiée. A ce stade l’eau doit être débarrassée

des couleurs

Désinfection Débarrasser l’eau des particules minérales ou insolubles Eliminer les germes micro organiques ou éléments organiques solubles



Ière PARTIE : POTABILISATION DES EAUX BRUTES (Procédés physico-chimiques des eaux)

CHAPITRE 0 : GENERALITES SUR LE TRAITEMENT DES EAUX Dans les eaux brutes, nous avons trois matières brutes : le solide en suspension, le gaz et le liquide dissous dans l’eau. 

Origine des eaux brutes.

Avant toute chose, il fa ut savoir si de quel type d’eau devons-nous traiter ? Est-ce , il s’agit : 1° des eaux souterraines ? A l’époque, on croyait qu’en creusant un puits on pouvait directement trouver de l’eau potable. Cette conception n’est pas juste car plusieurs aspects ou analyses ne sont pas mise

en compte : l’étude de bactérie etc. 2° des eaux superficielles ? Rivières : en amont ou en aval Fleuves etc. Les eaux douces peuvent avoir la couleur : « L’or bleu »

L’eau brute tient compte des caractéristiques suivantes : -

La géologie du terrain et l’hydrologie du site.

Q/ Pourquoi la REGIDESO, pour sa station a préféré capter l’eau de la rivière que celle du

fleuve ? R/ C’est par rapport au coût et à savoir aussi que le fleuve est une voie navigable, une piste

de plaisance, il se passe plusieurs trafics.



Pour capter l’eau, il faudrait avoir une source d’eau pérenne c’est -à-dire une source d’eau qui ne se tarit pas en d’autres termes une source d’eau intarissable. Le lac Tanganyika, par exemple, c’est le lac le plus profond d’Afrique.



3° des eaux du lac ou eaux de réservoir ? Eaux de réservoir : ce sont des eaux de centrale hydroélectrique. Les eaux de lac, avec leurs profondeurs, présente moins de turbidité ; et bien qu’elles soient très clair doit néanmoins être analyser pour déterminer les implications des bactéries et autres microbes. 4° des eaux de mer ? Eaux de mer et océans sont des eaux saumâtres (salées). Ce sont des eaux très difficile à traiter. 5° des eaux pluviales ?

Il est important de savoir qu’Il existe les normes de la qualité de l’eau potable ; et ces

normes sont éditées par l’OMS ; les normes internationales ; ISO (WHO) ce sont des normes qui sont publiés au site WWW.WHO.org Les eaux brutes ne sont pas recommandées à la consommation de l’homme ; pour ce faire,

le traitement des eaux brutes doit être fait pour respecter les norme s de la qualité de l’eau et pour rendre propre les eaux à la consommation humaine. Sur ce, traiter les eaux brutes implique de répondre aux trois questions suivantes : Comment ?

Avec quoi ?

Et Pourquoi ?

Pour tout projet de la Potabilisation des eaux, il faut tout d’abord analyser ces eaux brutes

(analyse organoleptique). Ces différentes analyses se présentent comme suit : 1) Analyses physico-chimiques (ou organoleptiques) Ce sont ces analyses qui vont nous donner la composition des eaux en substances minérales, ou gaz dissous ou substances organiques. o

Substances minérales

Par substances minérales, il est question de déterminer si l’eau est acide, basique ou neutre ; ce sont les valeurs du pH (le Potentiel en Hydrogène), qui nous permetent de déterminer si : 

L’eau est acide c’est -à-dire pH < 14 = acide



L’eau est basique c’est -à-dire pH > 14 = basique



L’eau est neutre c’est -à-dire pH = 7 neutre

Les valeurs comprises entre 5,2 –7,2 : sont le pH que l’on peut considérer comme les eaux neutres.



Ex. : pH = 3 : les eaux acides, ce sont des eaux contenant le fer : Fe 2+, Fe3+ (Déferrisation, eaux agressives, eaux incrustantes / substances organiques). A côté du pH, il y a la température (t°) (les eaux souterraines) ; est-ce que cette température favorise la biologie… -

Les procédés biologiques aérobiques Les procédés anaérobiques.

2) Analyses bactériologiques En gaz dissout : l’eau n’est pas méthane (gaz méthane) : on trouve par exemple CH 4 au Kivu 

Analyses bactériologiques : -

Surtout dans les agglomérations, Bactéries (microbes)

-

Coliformes

Totaux coliformes totaux Totaux coliformes totaux

Normes : nous avons des valeurs de concentration, de toxicité ou de dangerosité, pour ne pas nuire à la santé humaine. L’OMS a déclaré de 1981 – 1990 : décennies de l’eau potable.

Filière : est un agencement de certains équipement ou procédés (physico-chimiques et biologiques) qu’on applique lors de la technologie du traitement des eaux . D’une manière générale, nous avons le schéma ci-après :

Amont Rivières Aval

Eaux de surface Fleuves

Analyses des eaux brutes, en faisant un programme d’échantillonnage et des analyses horaires journalières. Il est demandé de prendre au minimum 30 valeurs par jour. On fait



toujours le captage d’eau là ou on veut faire ou construire l’usine où on veut faire le traitement. Pour le captage, l’amont doit être protégé.

-

Prélever 10 échantillons par jour et pendant 30 jours de 8h00’ à 18h00’ Faire l’analyse statistique, en déterminant les moyennes journalières de ces 10

échantillons. C’est-à-dire par 10. L’analyse moyenne mensuelle en divisant par 30. A La concentration obtenue, faire la comparaison aux normes, c’est -à-dire commencer toujours aux normes bactériologiques (comment tuer les bactéries), et dégager l’écart -type. Ensuite faire les normes physico-chimiques. Dans les normes physico-chimiques. On a :

Eaux-chargées : on fait le micro tamisage c’est-à-dire operation qui consiste à éliminer les corps étrangers. Les colloïdes (particules fines) par exemple ne peuvent être éliminés par tamisage en procédant par la Coagulation-Floculation Qu’est-ce qu’on utilise comme coagulant ?

La décantation Il y aura toujours quelques particules qui vont rester après le couple décantation – flottation Viendra la filtration

Objectif de la flottation = Eliminer, raclage des particules qui sont resté en suspension. Filtration

Filtrées (à sable) Micro-filtre Nano filtre 1 A° = 10-9 m

;

1 µ= 10-6 m

Objectif : rendre l’eau limpide, pour opérer la clarification de l’eau ou rendre l’eau claire. A partir d’ici, savoir que vaut : Minéraux

pH = ?

; t° = ?

,

Micro polluant organiques Odeurs Goût métallique

La dureté : retard de savonisation à cause de Ca++, Mg++



On fait encore Analyse organoleptique bactériologique.

La désinfection / eau filtrée c’est -à-dire éliminer tout ce qui était infecté.

-

Adoucissement (NaOH) Précipitation (déferrisation ; démanganisation). Chlore CCl2 eau javel (V) Dioxyde de Chlore (VV) Ozone (la plus utilisée (O 3) (VVV) Et va produire la séparation de l’eau et les précipités (Al 2SO4, Mg(OH)2). On fera

ensuite une filtration pour éliminer Al 2SO4 et Mg(OH)2. Après la désinfection, l’eau sera chassée dans un château d’eau ou réservoir de distribution.

N.B. : Chlore résiduel = 0,2 g/l



CHAPITRE 1 : LE MICRO TAMISAGE 1.1.

Principes de micro tamisage

C’est une opération destinée à faire passer un liquide contenant des impuretés à travers une

toile de fils ou de fibres ou encore à travers une membrane poreuse. Durant le passage du liquide, certains solides sont arrêtés soit directement (par les mailles du micro tamis), soit indirectement (par les matières solides accumulées sur le micro tamis). Lors de ce passage les impuretés (particules solides) sont arrêtées par directement par des mailles de fibres ou fils métalliques du micro tamis. La grandeur des mailles d’un micro tamis est < 150 µm (1 µm = 10-3 mm) Les micros tamis peuvent intercepter le plancton et les particules organiques et minérales assez « grosses » dont la taille est > à celle des ouvertures du micro tamis.

Par contre, les micros tamis n’arrêtent pas :

-

Les éléments minéraux fins (argiles) Les substances colloïdales, organiques ou minérales. Et les substances dissoutes.

Le micro tamisage n’améliore donc pas la turbidité causée et ne modifie pas la couleur de l’eau.

On utilise principalement les micros tamis pour : 1) Traiter les eaux de lac faiblement contaminées, dont la turbidité est faible et la couleur peu accentuée. Dans ce cas, le micro tamisage est suivi de la filtration de la désinfection 2) Réduire la quantité des matières en suspension (les MES) qui peuvent être dans les eaux usées après épuration. 3) Clarifier les eaux résiduaires industrielles 4) Récolter les algues à la sortie d’un traitement par lagunage. Ici, le lagunage se définit comme un système d’assainissement qui consiste à drainer

vers le point bas des lagunes

1.2.

Aspects théoriques du micro tamisage Avant d’installer un micro tamis à l’entrée d’une usine de traitement, l’ingénieur doit se

poser un certain nombre de questions, entre autres :



1. 2. 3. 4.

Quelle est la grandeur de la surface filtrante requise ? Quelles sont les pertes de charges initiales (H 0) engendrées par le micro tamis ? A quelles vitesses ces pertes de charges vont-elles augmenter ? Quelles pertes de charge maximale peut-on tolérer à travers un micro tamis encrassé ? 5. Quelle est la durée d’utilisation du micro tamis entre les lavages ? 6. Est-il avantageux d’utiliser un micro tamis rotatif à nettoyage continu ? Si Oui, quelle doit-être la vitesse de rotation du micro tamis ? 7. Jusqu’à quel point une variation des caractéristiques de l’eau peut -elle affecter les performances du micro tamis ? Pour répondre à plusieurs de ces questions ; il faut chercher l’indice de filtrabilité de l’eau ; (c.-à-d. mesurer l’indice de fi ltrabilité de l’eau = ?) C’est une mesure du pouvoir colmatant qui dépend donc du micro tamis (grosseur des mailles) e t des caractéristiques de l’eau (solides en suspension, température). Encrassé : bouché ou qui a comme contraire filtrant (filtré) Filtrage a comme contraire colmatage

Comment ? On mesure cet indice en faisant passer différents volumes d’une eau à travers un micro tamis et en observant la variation des pertes de charge. Le débit de l’eau, la température, la

concentration : des solides en suspension sont maintenus constant. Les résultats de ces essais en fonction du volume d’eau micro tamisée est

proportionnelle à la perte de charge. En d’autres termes, la variation des pertes de charge en fonction du volume d’eau filtré est soumise à la loi du 1 er ordre :

 =  . 1  Où

H : perte de charge engendrée par le micro tamis β : volume d’eau filtrée par unité de surface du micro tamis. (m)

I : Constante de proportionnalité (ou indice de filtrabilité) En intégrant (1), on obtient :

   ∫   ∫

ln   ln 3

→ 2



→ →

I=

 ln   β 

H0 = perte de charge initiale engendrée par le micro tamis. (= perte de charge engendrée par un micro tamis propre).

Durée de l’utilisation d’un micro tamis entre deux lavages

Cette durée d’utilisation est fonction des caractéristiques de micro tam is (surface utile,

grosseur des mailles) et des caractéristiques des eaux (température, indice de filtrabilité, volume d’eau traitée ou débit).

En effet, la notion de température des eaux fait appel au facteur de grille « Cg » qui indique la perte de charge initiale H o mesurée à une température de plus de 10° Celsius et à une vitesse d’approche de 1 m/s (voir de grilleur). La perte de charge initiale à la température 0 s’écrit :

 

H0 = Cg La perte de charge initiale à la température T s’écrit :

HT = Hà 10°C

+ 

Ou encore HT = Hà 10°C (0,03 T + 0,70)

Considérons H (comme une valeur de consigne au temps t) Alors on a :



H = H0.

Q Avec β = A

 et H = A C 0

g

→

  H =  C .  g

Enfin en tirant t dans la formule ci-dessus, on détermine le temps d’utilisation du micro tamis entre deux lavages « t » t=

     



CHAPITRE 2 : COAGULATION – FLOCULATION L’eau de surface qui passe travers le micro tamis garde encore certaines altérations

(turbidités et colorations) car :  

on y trouve certes des substances inorganiques « minérales » (glaises, argile) qui sont à la base de la turbidité ; on observe aussi les particules organiques très fines et hydroxydes métalliques Fe(OH)2, Fe(OH)3 qui sont à la base de la couleur de l’eau .

2.1. Intérêt du procédé Coagulation-Floculation La turbidité et la couleur des eaux sont principalement causées par des particules très petites, dites particules colloïdales. (les colloïdes ou particules colloïdales) qui peuvent même traverser un filtre très fin restent en suspension dans une eau de surface durant de très longues périodes. Ces particules proviennent de (s) : 

l’érosion de terre (à travers les berges)



la dissolution des substances minérales la décomposition des substances organiques (tout ce qui est faune ou faune, il y a aussi le carbone 14 ou le carbone 13 déversements des eaux d’égouts domestiques, des eaux industrielles et agricoles (à cause de la presence des engrins azotés)

 

Par ailleurs, leur concentration est très stable, c-à-d. ces particules n’ont pas tendance à s’agglutiner ou à s’accrocher les unes aux autres.

Pour éliminer ces particules colloïdales (particules très très fines), on a recours aux procédés de coagulation-floculation. La coagulation a pour but principal de déstabiliser ces particules en suspension c-à-d. faciliter leur agglomération. (L’on note par ailleurs que le préfixe Co veut dire avec ou mettre ensemble) En pratique, La coagulation est un procédé qui cosiste à injecter et à disperser rapidement des produits chimiques (=coagulants). La floculation qui suit la coagulation a pour objectif de favoriser les contacts entre les particules déstabilisées à l’aide d’un mélange lent (dans un floculateur). Ces particules s’agglutinent pour former un floc qu’on peut facilement éliminer par les

procédés de décantation et de filtration.



Question Pourquoi est-il important que ce procédé de coagulation-floculation soit effectué correctement ? Réponse : Il est très important que les procédés de coagulation et de floculation soient utilisés correctement. En effet, la production d’un « floc » très petit ou trop léger, entraine une décantation insuffisante et par conséquent lorsque les eaux arrivent sur les filtres, elles contiennent une grande quantité des particules de floc qui vont encrasser (colmater) rapidement ces filtres ; ce qui nécessite des lavages fréquents des filtres. Par ailleurs, lorsque le « floc » est fragile, il se brise en petites particules qui peuvent traverser le filtre et altérer la qualité de l’eau produite.

Pour ce faire, l’ingénieur doit certainement se poser les questions su ivantes :

1) Quelles sont les caractéristiques des particules colloïdales en suspension et quel est le degré de leur affinité pour l’eau ? 2) Quelles sont les différents produits et différentes techniques qui permettent de déstabiliser les particules ? quels sont les différents paramètres influençant la coagulation (Choix de coagulation et mise en œuvre). 3) Quels sont les différents mécanismes et ouvrages ou appareillages entrant en jeu lors de la floculation ?

2.2. Caractéristiques des particules en suspension Il y a lieu de signaler que les particules en suspension ont : Leur taille Le diamètre Φ ≤ 1µm La densité < 265 ; Le temps de chute Leur affinité vis-à-vis de l’eau o les particules hydrophiles o les particules hydrophobes Comme nous l’avions ci-haut indiqué, les particules en suspension dans l’eau brute (eau de surface) proviennent de l’érosion des terres ; de la dissolution des substances minérales ; et

de la décomposition des substances organiques. A cet apport naturel, il faut ajouter le déversement des eaux d’égout domestiques, industrielles ou agricoles.



En général, la turbidité de l’eau est fonction :

-

Des particules de matières inorganiques (particules de glaises et d’argile). Mélange du sable et de la terre qu’on trouve au lit d’une rivière.

Alors que la couleur est imputable à la présence des matières organiques et des hydroxydes de métal (Fe2O3 ; FeO).

Ce qu’il faut savoir sur les caractéristiques des particules en suspension : 

On peut classer les particules en suspension en fonction de leur « taille ».

Celle dont le Φ > 1µm, la plupart de cas sont des particules de matières organiques ou inorganiques, qui se déposent facilement, alors que celles dont le Φ < 1µm, sont des

particules colloïdales (et de densité faible) se déposent très lentement.



On peut classer les particules en suspension en fonction de leur « affinité vis à vis de l’eau ».

Les particules colloïdales peuvent ou ne pas présenter une certaine affinité pour l’eau : elles

sont soit « hydrophiles », soit « hydrophobes ». Les particules hydrophiles, déshydratés se dispersent spontanément dans l’eau et sont entourées des molécules d’eau qui préviennent tout contact ultérieur entre ces particules. Les particules hydrophobes ne sont pas entourées des molécules d’eau, leur dispe rsion dans l’eau n’est pas spontanée ; on doit faciliter cette dispersion à l’aide des moyens chimiques

ou physiques. Les particules hydrophobes sont en général des particules de matières inorganiques « (MIES) », alors que les particules hydrophiles sont des matières organiques (MOES). En fait, peu de particules sont exclusivement hydrophiles ou hydrophobes ; on retrouve plutôt des particules hydratées différents degrés. On peut classer les particules en suspension en fonction de leurs « Charges électriques ». Dans une eau de surface, les particules colloïdales possèdent habituellement une charge électrique négative située à leur surface. Ces charges dites primaires, attirent les ions + en solution dans l’eau lesquels ions + adhèrent fortement à la particule et attirent à leur tour des ions – accompagnés d’une faible quantité d’ions +. 



Les ions qui adhèrent fortement à la particule et se déplacent avec elle fortement à couche liée. Tandis que les ions qui y adhèrent faiblement constituent la couche diffuse. Il y a donc un gradient électrostatique entre la surface de la particule et la solution. Le potentiel à la surface de la particule est appelé « POTENTIEL DE NERST » qui varie en fonction de la distance. La valeur (a) détermine le « plan de cisaillement » c’est la limite entre la particule de la solution qui se déplace avec la particule et la partie de la solution qui se déplace indépendamment de la particule. a) Pour une particule hydrophobe, ce plan de cisaillement est situé à la limite de la couche liée ; alors que pour une particule hydrophile ce plan de cisaillement est situé à la limite extérieure de la couche d’eau liée à la particule.

Le potentiel électrostatique mesuré au plan de cisaillement est appelé POTENTIEL ZÊTA (pour une particule hydrophobe, c e potentiel est de l’ordre de 50 à 100 mV) Le potentiel Zêta est responsable du comportement électrostatique des particules colloïdales.

Le potentiel électrostatique, fonction de la distance ; est par ailleurs influencé par la FORCE IONIQUE DE L’EAU.

On peut calculer cette force ionique de l’eau à l’aide de l’équation :

   ∑   .  Force ionique

Concentration de l’ion n

(moles/litre

Valence de l’ion n

On a remarqué qu’une augmentation de la force ionique avait pour effet de comprimer la

couche diffuse vers la particule. Dans ce cas, le potentiel électrostatique chute plus rapidement. Ce qui réduit le potentiel Zêta des particules hydrophobes. Pour les « particules hydrophiles » il faut plutôt agir sur la couche d’eau liée lorsqu’on veut favoriser leur augmentation.



2.3. Coagulation La charge électrique et la couche d’eau qui entourent les « particules hydrophiles », tendent

à éloigner les particules les ions des autres, et par conséquent, à les stabiliser dans la solution.

Le but principal de la coagulation est de déstabiliser les particules pour faciliter leur agglomération. On peut obtenir cette déstabilisation par 4 manières : 1) La compression de la double couche 2) L’absorption et la neutralisation des charges. 

Absorption : phénomène qui se passe à la surface (extérieure)



Absorption : phénomène qui passe à la pénétration

3) Emprisonnement des particules dans un précipité 4) Absorption et pontage. Les principaux coagulants utilisés par déstabilisation les particules et produire un floc sont : 1) 2) 3) 4) 5)

Sulfate d’Alumine ou l’alun : Al2(SO4)3 . 14 H2O

Aluminate de sodium : NaAlO 3 Chlorure d’Aluminium : AlCl3 Chlorure ferrique : FeCl 3 Sulfate ferrique : Fe 2(SO4)3

Les produits les plus utilisés sont // les sels d’Al et de Fe. Les produits d’hydrolyse des sels d’Al et de Fe sont des coagulants plus efficaces que les ions

eux-mêmes.

⇒      Hydroxydes insolubles formant « un précipité »



Les principales reactions de l’alun

⇌ ⇌ ⇌

*Al2(SO4)3 . 14H20+3Ca(HCO3)2 *Al2(SO4)3 . 14H20+6NaHCO3 *Al2(SO4)3.14H20+3Na2CO3

→

2AL(OH)3 + 3CaSO4+6CO2+14H20

2AL(OH)3 + 3NaSO4+6CO2+14H20

2AL(OH)3 + 3Na2SO4+3CO2+14H20

La réaction des sels de métaux avec l’eau donne un ensemble de produits complexes qui

par différents moyens, déstabilisent les particules colloïdales et favorisent leur agglomération. -

On peut montrer à partir des équations chimiques ci- dessus 1mg/l d’Alun réagit avec 0,50 mg/l d’alcalinité (CaCO 3 : Calcaire).

Afin d’optimiser la coagulation, il faut tenir compte de plusieurs variables en interrelations

complexes, comme : -

Le pH (potentiel en hydrogène) Les sels dissous La t° de l’eau

Le coagulant utilisé La turbidité(l’eau trouble qui est chargée de plusieurs particules) & la couleur.

En effet, lorsque la coagulation se produit hors d’une plage de pH optimale.

(pH de 4 à 6 pour les sels de Fe) (pH de 5 à 7 pour les sels d’Al) ;

Il faut augmenter la quantité de coagulant.

→

les sels dissous peuvent entraîner la modification : - de la plage de pH optimale -

Le temps requis pour la floculation La quantité de coagulant requis La quantité résiduelle du coagulant dans l’effluent.

→

une diminution de la températur e de l’eau entraîne une augmentation de la viscosité.

C’est ce qui explique les difficultés de décantation du floc ainsi que le liris et l’entraînement

du floc dans le filtre.

→

Même si le coagulant le plus utilisé est l’Alun, il peut être avantageux de le remplacer par

le « Sulfate ferrique » ce dernier procure en efft à plusieurs eaux (brutes) une plage de pH optimale que celle due à l’Alun.

De plus, pour un même pH élevé, le sulfate ferrique Fe 2(SO4)3 est moins soluble que l’alun.


→ →


On ne peut choisir un coagulant et en déterminer la concentration optimale qu’après

avoir effectué des essais en « laboratoire ». Au cours de la coagulation floculation, on procède à un mélange des produits chimiques en deux (2) étapes : 1ère étape = « mélange rapide », c’est-à-dire énergique et de courte durée (tmax = 120 sec) pour disposer les produits dans la totalité du volume d’eau à traiter.

Ce mélange se fait par injection des produits dans une zone de forte turbulence ou en utilisant des équipements de mélange mécanique. 2ème étape = « mélange lent » ayant pour but de favoriser les contacts entre les particules du floc. Durée du mélange lent égale à 10 minutes max nécessite une vitesse suffisante, mais pas trop élevée pour ne pas briser les flocs.

→

Lorsque la turbidité augmente, il faut augmenter la quantité de coagulant. Mais cette

augmentation ne se fait pas de faon linéaire en fonction de l’augmentation de la turbidité.

Lorsque la turbidité est très élevée, la quantité de coagulant nécessaire est relativement faible. Car la probabilité de collision entre les particules est très élevée. Par contre, lorsque la turbidité est très faible, la coagulation est difficile.

→ →

Les eaux contaminées par les eaux d’égouts domestiques et/ou industrielles. Ces eaux

exigent des concentrations du coagulant plus importantes que les eaux non contaminées. Lorsque les particules responsables de la couleur sont de nature organique, hydrophiles elles sont petites et chargées négativement, la couleur résiduelle décroît proportionnellement avec l’augmentation de la quantité du coagulant utilisé. Le pH optimale pour l’élimination de la couleur, pH varie entre 4 et 6. Et pour l’élimination

de la turbidité pH varie entre 6,5 et 7,5.

2.4. Théorie de la « Floculation » La floculation a justement pour but d’augmenter la probabilité des contacts entre particules, lesquels contacts sont provoqués par la différence des vitesses de ces particules. Cette différence de vitesses peut être imputable a) « mouvement brownier » des particules (floculation péri cinétique). b) Et au déplacement d’une partie du fluide (floculation ortho cinétique). En cas de floculation péri cinétique, le taux de variation de la concentration des particules Fp, s’exprime à l’aide de l’équation :

       



N : concentration totale des particules en suspension au temps (t) σ : facteur qui rend compte de l’efficacité des collisions (nombre de collisions effectives par

nombre de collisions totales) une collision effective étant cell e qui entraîne l’agrégation de 2 particules. k : Constante de BOLTZMANN (1,38.10 -23 J.K-1). θ : température absolue (°K)

n : viscosité dynamique de l’eau exprimée en (Pa.seconde) A Pa = 1 N/m² Après avoir intégré et en posant N=No à t = 0. On obtient :

       Par ailleurs, on pose :

⁄          ⁄ Où :

⁄

= temps nécessaire pour que la concentration des particules en suspension soit

réduite de moitié. B) floculation ortho cinétique (Fo) Est provoquée par l’agitation de l’eau qui facilite l’agrégation en augmentant la probabilité des collisions entre les particules. Or la vitesse du fluide varie dans l’espace et dans le temps.

On caractérise le gradient de vitesse G(S -1) le taux de floculation ortho cinétique est donné par l’équation :

             σ = coefficient qui tient compte de l’efficacité des collisions.

d = diamètre des particules (m)



G = gradient de vitesse (S -1) Après intégration, en posant : N = No au temps t=0 et N = N au temps t

ln   4     6       Tapez une équation ici. E n faisant      Pour obtenir une bonne floculation Fo confondue à Fp. -

Des petites particules, il faut que le gradient de vitesse G soit élevé, c’est -à-dire l’agitation doit être énergique (brassage).

-

Des grosses particules, il faut une agitation relativement faible mais suffisante.

c) Type de floculateurs 1) à écoulement horizontal (= bassin de floculation classique). 2) à voile de boues. Floculateur à écoulement horizontal VON SMOLUCHWOSKI

        

 = taux de collisions entre les particules de type 1 et de type 2.  G = gradient de vitesse.

 

= nombre de particules de type 1 = nombre de particules de type 2

d1 = diamètre des particules de type 1 d2 = diamètre des particules de type 2

→ →

les particules de type 1 sont celles qui sont responsables de la turbidité et de la couleur ? particules 2 = particules de floc.



Dans un floculateur classique (ortho cinétique) l’agitation est causée par un ensemble de pales parallèles à l’axe de rotation, ensemble qui tourne à une vitesse constante.

La puissance développée par ces pales est donnée par :

℘   ..  Si on a plusieurs pales, il faut intégrer les puissances transmises par toutes les pales.

  ℘ ⁄

β = volume du bassin (m 3).

L’intégration de l’équation de VON SMOLUCHWOSKI pour n bassin de floculation installés en

série, on a l’expression suivante :

         Où n = nombre de bassins de floculation No et Nn = sont des concentrations des particules de type 1 dans l’affluent du 1 er bassin ; Nn = sont des concentrations des particules dans l’effluent du nième bassin

K = constante



= volume total de floc par unité de volume de

G = gradient de vitesse t = "temps de rétention" global exprimé en seconde

"ARGAMAN et KAUFMAN" ont constaté que les diamètres des particules de floc peuvent croître jusqu’à une certaine valeur maximale. Plus le G croît, plus le d max des particules de floc est faible. Les deux personnes ont élaborées une théorie qui tient compte à la fois de l’agrégation et de l’érosion du floc.



Ainsi, avec un floculateur de 4 compartiments, et un temps de rétention de 30 minutes et un gradient de vitesse de 50 S -1. On peut réduire le nombre de particules en suspension d’un facteur X calculer X.

Il ressort de la formulation de argaman et Kaufman 3 conclusions pratiques à savoir : 1.

∀

G, il existe un temps de rétention minimal au- dessus duquel, aucune floculation n’a lieu 2. On peut réduire le temps de rétention en augmentant le nombre de comportements (n≥3)

3. Puisqu’il y a érosion du floc avec le temps dans un milieu tirbulent, il est imp ortant de ne pas allonger la période de floculation.

→

Si par exemple, on veut éliminer les particules de kaolin particules de type 1 se fait avec le floc d’Aln on calcule le produit de vitesse G* à l’aide de la formule ci -après :

 44 . 10 2, 8 ∗   .  



G* = gradient de vitesse optimal [S -1] C = concentration d’Alun [de 0 à 50 mg/l]

K = durée de floculation (en minutes). 2°) Floculation à voie de boues

Dans ce cas, l’écoulement de l’eau (brute) a lieu vers le haut, ce qui permet de maintenir le

voile de boues ou suspension. Ce voile se trouve dans une zone de faible turbulence où les collisions entre les particules sont favorables grâce à la forte concentration des boues. Comme dans un floculateur classique, les collisions entre les particules sont favorisées par le brassage. HUDSON a utilisé l’équation de VON SMOLUCHWSKI pour montrer que :

où N = nombre de particules dans l’effluent No = nombre de particules dans l’affluent σ = facteur qui tient compte de l’efficacité des co llisions

   −  / 



G = gradient de vitesse



= volume de floc par unité de volume de solution

t = temps de rétention la vitesse de chute du voile de boues (v v) dans son ensemble est fonction de la vitesse de chute d’une particule (vp) et selon BOND (1960).

  12,78 ⁄  Floc d’Alun fragile (couleur)

→

vitesse de chute de bases à 15° C. 0,66 et 1,22 mm/h

Floc d’Alun résistant (turbidité) 1,22 à 1,73 mm/heure.



CHAPITRE 3 : LA DECANTATION – LA FLOTTATION 3.1.

Intérêts de(s) procédé(s)

→

La décantation est un procédé qui intervient au niveau : -

Des usines d’épuration (terme utilisé pour les eaux usées) Des usines de traitement d’eaux (dans le cadre des eaux potables)

La décantation pour but d’éliminer les particules en suspension dont la densité est supérieure à celle de l’eau (d > 1).

Ces particules sont en général des flocs ou des particules résultant de la précipitation après : -

→

Adoucissement Elimination du Fe et Mn

Lors de la décantation, les particules s’accumulent au fond du bassin d’où elles seront

extraits au fur et à mesure, et l’eau flottant tout près de la surface est (conduite) orientée

vers les filtres à sable pour subir la "filtration". → Si la densité des particules sont inférieure à celle de l’eau, on va appliquer la flott ation.

3.2.

Phénomène de décantation

Toute particule présente dans l’eau est soumises à deux forces :

Principe de base : ces particules obéissent aux lois classiques de NEWTON et STOCKES. Lorsqu’une particule chute, sa vitesse augmente jusqu’à ce qu’il y ait équilibre entre les

forces de décantation (poids) et les forces de frottement. Fg

Particule

      FD

       ( ).ℎ 2     2   3    .  .   4



Où : Fg : Force de décantation due à la pesanteur (N) FD : Force de traînée (N) Fr : Force résultante (N)

 

: Masse volumique de la particule (kg/m 3) : Masse volumique du liquide (eau) : (kg/m 3)

Φ : diametre apparent de la parois

b : volume de la particule (m 3) CD : coefficient de traînée Vp : vitesse de chute de la particule (m/s) t = temps (s) g = accélération de la pesanteur (m/s²) n : viscosité

Pour les particules sphériques

  ²4 → 3,5   è   .     →3,6    −  .  .  .  3.7        0  En combinant ces équations 3.1 à 3.6 on obtient :

→ La particule chute en accélérant jusqu’à ce que

à l’équilibre cette vitesse

est,

1 ) ( −          ⁄2

3,8

Le coefficient de frottement



(NR)

est fonction du nombre de REYNOLDS,

et de la forme de la particule


   .  . 



≤1→

3.9


n : viscosité dynamique de l’eau (Pa.β)

   →3.10

(3.9) et (3.10)

    3.11 ⟹

→

(3.8) et (3.11)

.  ²   

l’expression de la loi de STOKES

.

(3.12) : la vitesse de chute d’une particule L’épuration de stockes peut être simplifiée en remplaçant les densités ρ par les densités (d) 

ρeau = 1000 Kg/m3 → densité = 1



ρsable = 2650 Kg/m3 → densité = 2,65



ρfloc = 1004 Kg/m3 → densité = 1,004



        0,34

b) 1 ≤

//

≤ 104

3.13

3 Questions pour l’ingénieur

1) Types de décantation (théorique) ? 2) Mécanisme de décantation des particules discrètes et des particules floculantes. 3) Utilisation des principes de décantation pour concevoir des décanteurs à tubes et des décanteurs à lamelles.

3.3.

Types de décantation

→

Selon la concentration en solides et la nature des particules (densité, dimensions-formes), on distingue 4 types de décantations : a) Décantation des particules discrètes ou "individuelles" conservant leurs propriétés physiques initiales (formes, dimensions et densité) lors de la chute et cette "vitesse de chute" est indépendante de la concentration en solides. Exemple : type de décanteur "les dissableux"



b) Décantation des "particules flocu lantes". Elles sont caractérisées par l’agglomération des particules au cours de leur chute leurs propriétés physiques se modifient. Type de décanteur : les décanteurs des usines de traitement d’eaux. c) La décantation freinée. Elle se caractérise par une concentration élevée des

⇒

particules, ce qui entraîne la formation d’une couche des particules et par conséquent une décantation nette entre les solides décantés et de l’eau surnageant (flottation). La décantation freinée est celle qu’on observe dans la part ie profonde

des décanteurs. d) Décantation en compression des boues. Ces particules entrent en contact les unes avec les autres et reposent sur les couches inférieures : "phénomène de consolidation lent". Exemple : - type de décanteur : « Epaisseurs des boues »

Bassin de décantation idéal (théorique) (expérimental) Paramètres du bassin A = aire de la section longitudinale de la zone de décantation (L . A’ = aire de la section transversale de la zone de décantation (H.

 

)

)

H = profondeur totale de la zone de décantation Q = débit de l’eau

vH = vitesse horizontale de l’eau (Q/A’) vp = vitesse de chute d’une particule vo = vitesse de chute « cible » d’une particule



= largeur de la zone de décantation.

→ Toutes les particules dont v p > vo sont éliminées.

Les particules dont v p < vo sont éliminées si et seulement elles pénètrent dans la zone de décantation à une hauteur < h. La fraction des particules éliminées est :

   3.14

La hauteur étant le produit de la vitesse X le temps de rétention.

   ..    → 3.15


Le temps de rétention




de n’importe quelle particule qui traverse le bassin.

   3.16

Par ailleurs, puisque v 0 est fonction du débit Q et de l’eau de la section longitudinale A du bassin.

     .   3.17     ⁄ 3.18  Cette formule permet de calculer le rendement d’un bassin de décantation idéal en ce qui concerne l’élimination des particules dont la vitesse de chute v p est la même.

En réalité, les v p sont différentes et on calcule le rendement global du bassin de décantation en tenant compte de la distribution de ces v p. la fraction totale des particules éliminées est :

 1   1  ∫    → Dans un bassin de décantation réel, de s courants de densité peuvent modifier l’écoulement de l’eau.

Ce qui peut réduire même de 90% le temps de rétention des particules.

3.4.

Décantation des particules floculantes (types II)

Au cours de la décantation, les particules s’agglomèrent à un certain rythme. Particules plus grosses → particules initiales modification des caractéristiques.

Ce type de décantation se produit dans une solution diluée, des particules dont changent.



, vp

La décantation de type II combine la décantation et la floculation en cours et tient compte de la viscosité dynamique de l’eau.


3.5.


Décantation à tubes.

Forces agissant sur une particule déposée dans un tube incliné à 60° Lorsque

(  )

√   

>

  30°  Force de pesanteur

Lorsque

Force de traînée

Force de friction

√   > (   ) 

Les particules glissent vers le fond du bassin et si entraînées vers la sortie et les filtres.

√   

< (  )

, les particules sont

→ On peut augmenter la capacité des décanteurs en inversant le sens d’écoulement de l’eau, pour que agissent dans le même sens que . C’est ce qui se passe dans les



décanteurs à lamelles.

3.6.



Décanteurs à lamelles

Ils sont constitués d’un empêchement des plaques inclinées à 35 par rapport à l’horizontale.

  35° 



CHAPITRE 4 : LA FILTRATION 4.1. Intérêt du procédé (Buts de la filtration) La Filtration est un procédé physique décliné à clarifier un liquide qui contient les MES (les solides en suspension) en la faisant passer à travers un milieu poreux constitué d’un matériau granulaire. La rétention de ces particules se déroule à la surface des grains grâce à des forces physiques (frottement, inerties, forces de VAN DER WALLS, détachement par la vitesse de l’eau) ; Les solides en suspension sont retenus par le milieu poreux et s’y accumulent et il va falloir

nettoyer ce milieu de façon continue ou intermittente. La plus ou moins grande facilité de fixation dépend étroitement des conditions d’exploitation du filtre et du type de matériau utilisé. C’est surtout l’espace inter granulaire définit la capacité de rétention du filtre. Au fur et à mesure que l’eau passe, cet espace se réduit , le filtre se colmate c.-à-d. les pertes de charge augmente ; cela implique à dire qu’il faut déclencher le RETROLAVAGE. Et lorsque le filtre se colmate Une biomasse (boue souvent verte qui développe certaines odeurs) se développe sur le matériau filtrant. → La filtration est un procédé qui est précédée par la coagulation – floculation et

décantation. La filtration Permet d’obtenir une bonne élimination des particules très fines responsables de la couleur, de la turbidité et des bactéries,(et indirectement des odeurs et des goûts). 4.2. Matériaux filtrants Ces matériaux filtrant utilisés sont des granules libres non adhérent les uns aux autres, insolubles, inattaquable par le liquide filtré ni par les particules solides retenus. Ces matériaux ou granules libres sont :



le sable de quart (SiO2) rond, le plus utilisé ici en RDC la pierre ponce (pierres poreuses), l’hydro anthracite (pour filtres bicouches),



la pouzzolane (lors de la deferrisation sous pression de l’eau)

 



le charbon actif (pour améliorer le gout de l’eau ou les qualités organoleptique ou encore pour combattre les micropolluants) Il existe aussi de l’eau traitée avec le charbon actif (il y a 25 ans , rappelez vous de l’eau en bouteille appelé MAKALA que l’on vendait à Kinshasa)

   

les « bio filtres » ou « lits bactériennes immergés » (pour les eaux résiduaires) le « biolite » ou le « schiste active » le « biodagène » ou l’argile expansée le « biostyr » ou en filtre en « polystyrène » ou matériau plus léger que l’eau



4.3 Les caractéristiques des matériaux des filtrants a) La granulométrie déterminée par : Diamètre effectif (D.E) ou faible effective - et coefficient d’uniformité du sable (C U) Il est important de connaitre la taille du diamètre du plus petit et du plus gros grain afin de déterminer l’homogénéité du matériau.

D.E. : est le diamètre ou la taille qui correspond à l’ouverture oula grosseur des mailles du tamis qui laisse passer 10% de la masse de l’échantillon (du matériau). Autrement dit la connaissance de ce paramètre (le diamètre) permet de savoir que 90 % de la masse des grains ont un diamètre supérieur au D.E

CU : c’est le rapport des ouvertures des mailles laissant passer 60% et celui laissant passer 10% C’est le rapport entre le diamètre laissant passer 60% de particules et celui laissant 10%

     Soit aussi DE = TE

L’homogénéité du matériau (l’impression d’avoir la même granulométrie ou uniforme) est

respectée si les valeurs suivantes sont satisfait (NFX 11507 voir site www.afnor.org) 

TE ou DE soit > de 3% à 5% la taile du grain le plus fin



1,35 ≤ C U ≤ 1,40

b) La forme de grains On distingue les :  

Les grains ronds Les grains anguleux



Ces derniers s’imbriquent moins que l es grains ronds et par conséquent les espaces

intérstitielles sont plus grands, la capacité de filtration augmente et les pertes de charge diminuent.

c) La densité relative de sable Cette densité est déterminée en appliquant le principe d’Archimède : « tout corps plongé dans l’eau subit une poussée verticale de bas vers le haut et dont le poids correspond au volume de l’eau déplacée ».

Densité relative du sable vaut :

 

      éé  = +−

s=

s

4.1

Et la masse unitaire seche ρu : masse de matériau filtrant par unité de volume varie en fonction du degré de

compactage

du matériau (ρu min et ρu max) masse unitaire sèche

d) La porosité (e) considerons Bs = Volume des solides. Bv = volume des vides BT = volume total du matériau

 

u =

masse unitaire sèche en matériau

s = densité relative du

La porosité s’écrit :

sable.

   4.2

minimale maximale



En supposant un volume total unitaire (B T = 1)



u =

Bs .

 s .

→ (4.3)

BT = Bs + Bv → (4.4) (4.2) + (4.3) + (4.4)

⇒   1  su. P

→ (4.5)

    1     →4.6         .  →4.7 m = masse du matériau sec dans la colonne (kg)



= masse volumique de l’eau (kg/m 3)

Or,

   ²  →4.8

(4.6) + (4.7) + (4.8) donnent :

1    .  .  ²4 ℎ →4.9 Soit

     . . ²  →.

4.4 - Constitution d’un filtre, - Paramètre de Fonctionnement et - Contrôle-Régulation de Fonctionnement des Filtres. Tout Filtre est composé de trois parties : a) Le fond b) Le gravier support c) Le matériau filtrant (sable de quartz)

Le fond doit être suffisamment solide pour supporter le poids de l’eau + le poids du sable + le poids du gravier. Il doit permettre la collecte et l’évacuation de l’eau filtrée (le plus souvent par des buselures ou tuyauterie fines incorporées et la répartition uniforme de l’eau de lavage.



Le gravier a pour rôle de retenir le sable et d’améliorer la distribution de l’eau de lavage dans le filtre On distingue : -

Filtres fermées sous-pression, Admettant des vitesses de filtration beaucoup plus élévées que celles des filtres ouverts (entre 5 et 20 m/h) ; la hauteur du sable = 1 m et la perte des charges correspond à 1,5 bars soit 1,5 Kgf/Cm 2.

-

Filtres ouverts Sont généralement en béton et à l’air libre ; leur vitesse de filtration donnant le débit

admissible varie de 5 m à 6 m/ heure pour un matériau unique du type sable et peut atteindre 10 m/heure pour les filtres bicouches ; la hauteur de matériau est comprise entre 0,80 m et 1,00 m pour les monocouches ; et entre 1,20 m et 1,50 m pour les bicouches en épaisseurs égales de matériau. La granulométrie recommandée par le constructeur est comprise entre 0,70 mm et 1,35 mm pour le filtre.

Le lavage des filtres -

Filtres à sable rapides Filtres à sable lents → prennent plus d’espace en superficie Filtres à terre diatonée → piscines

4.3. Ecoulement de l’eau dans un filtre à sable.

La perte de charge à travers un milieu filtrant est une caractéristique très importante de la filtration ; elle est de l’ordre de 0,50 m à 0,75m lorsque le filtre est propre et elle augmente lorsque le filtre s’encrasse. L’équation de CARMAN – KOZENY et celle de ROSE permettent de calculer la perte de charge d’un filtre propre "lorsque l’écoulement a lieu par gravité". L’équation de Carma n – Kozeny s’écrit :

   .  .. ²2 →4.11  

= perte de charge à travers un tube de longueur L

= vitesse moyenne d’écoulement du liquide dans le tube


  


= diamètre du tube

= coefficient de frottement = accélération de la pesanteur

Rayon hydraulique R h

é      éè é    ²     . →    →.     .     . 4  . 2 → 4.12 d’un tube circulaire, avec

De (a.a), on tire D = 4 En subdivisant D = 4

;

dans (4.11), on trouve :

L’on note :

  →    .     é

(4.13)

Volume du liquide = volume des vides (volume total X porosité) Volume du liquide = B T x e

 −.  . → 4.14 Où b = volume d’une particule

N = nombre des particules

→

surface mouillée (As) = N . a → (4.15)

Où, As = surface de l’ensemble des particules a = surface d’une parti cule

(4.13) + (4.14) + (4.15)

⇒   . −

→ (4.16)

1er cas : le milieu filtrant est composé des particules sphériques de même diamètre d.

     6 → 4.17



 . → 4.18    → 4.19  6 a=

En réalité, comme toute les particules ne sont pas exactement sphériques, on introduit un facteur de forme , sans dimensions

     → 4.20  6    → 4.21  

(4.20) + (4.21) dans (4.16) s’écrit :

  − . 

→ (4.22)

On peut calculer "la charge superficielle U" qui s’exerce sur un filtre, à l’aide de l’équation de

continuité :

   → 4.23 où Af = surface totale du filtre et Q = débit Et

la

vitesse

   → 4.24

d’écoulement

du

liquide

dans

le

filtre

est

donnée

En additionnant (4.12) + (4.22) + (4.24), on obtient l’éq uation de CARMAN – KOZENY

   . .  . − .  → 4.25 Où le facteur sans dimension est obtenu à l’aide de la formule empérique :

  150 . 1  1,75 → 4.26 Avec

     → 4.27

( pseudo nombre de Reynolds)

2è cas : le milieu filtrant est homogène et composé des particules de diamètres variés. (4.20) + (4.25)

⇒  .  . − .   → 4.28 =

par :



  6 ∫=  →4.29   =           è

→ Puisqu’on connait par tamisage, les caractéristiques granulométriques du milieu filtrant,

  6  ∗ →4.30    x = fraction (en masse) des particules retenues entre deux tamis consécutifs.

   ⇒ +   ℎ   . 1⁄2 é

: moyenne géométrique

3ème cas : Après nombreux lavages, le milieu filtrant peut être stratifié c’est -à-dire les particules fines s’accumulent sur le dessus et les grosses particules se concentrent au fond

du filtre tout en ayant la même masse volumique. En supposant que la porosité € constante dans le milieu filtrant et que le facteur de forme

   1 . 1 .  .  →4.31      

( ) identique pour toutes les particules, on peut écrire ou dériver l’équation (4.25) :

et d sont variables.

La perte de charge pour toute l’épaisseur du milieu est donnée par l’équation :

    1 1    ∫     .  .  ∫   →4.32       è  Or,    . =     ∫=   →4.33 Connaissant les caractéristiques granulométriques obtenues par tamisage, on peut écrire :

   ∑  . ∗ →4.34 Avec

2 1 1     . 3 .  →4.35



→ L’équation de Rose est de type expérimentale elle fait intervenir le coefficient de traînée. Il s’applique aux particules sphériques.

a) Lorsque le milieu filtrant est composé des particules de même diamètre d.

  , .  .  .          1 ≤  ≤ 10        0,34 ⇒4.37  ≤1 ⇒       →4.48   .  .  ⇒4.39 (4.36)

Si

é

b) Lorsque le milieu filtrant est homogène, mais constitué des particules de diamètres variés.

  1, 0 67       .  . .   ∗ → 4.40   4.36 ∗ à

: diamètre géométrique moyenne.

c) Lorsque le milieu filtrant est stratifié.

  .  1, 0 67      .  .   ∗ → 4.41 Selon CARMAN – KOZENY



→ →

- Pour le sable roulé ROSE propose pour :

⇒ϕ

ϕ

= 0,95 et pour le charbon pulvérisé = 0,75.

ϕ ϕ

sable roulé = 0,80 charbon pulvérisé = 0,60

4.4. Lavage des filtres/et écoulement vers le haut à travers un milieu granuleux. - Pour laver un filtre, on inverse le sens de l’écoulement lorsque la vitesse ascendante atteint une valeur critique V C, les particules sont soulevées c’est -à-dire (le lit filtrant respire, il y a une contraction), elles ne sont plus en contact les unes des autres, elles adoptent une position d’équilibre par laquelle leur masse dans le liquide est égale à la

force de traînée exercée par celui-ci.

Vitesse descendante

Vitesse ascendante



On dit que le milieu est fluidisé. → L’écoulement devient en général turbulent les particules ne sont pus stables et une forte

agitation va favoriser les choses entre les particules, ce qui favorise le détache q (décollement) des saletés ou impuretés. "micro-agitation micro-turbulence"

⇒

→ L’Ir doit calculer le degré d’expansion d’un milieu filtrant constitué des particules de

même diamètre. → On considère un filtre dont le matériau filtrant a une épaisseur L et dont le fond est

séparé de la crêté des goulottes par une hauteur h. La pression hydrostatique au fond du filtre est (P.h) lorsque l’écoulement a lieu vers le haut

avec une charge superficielle U L. Le matériau filtrant prend de l’expansion et occupe une épaisseur (Le). On a alors une suspension d’eau et de sable d’épaisseur Le surmontée d’une quantité d’eau d’épaisseur (h –

Le) le mélange eau – sable a une ℓ > 1, la pression hydrostatique au fond du filtre devient > ℓL . h l’augmentation de cette pression est h L . ℓL .

hL = perte de charge dans le filtre.

ℎ .    1 →4.42  Où,

= la porosité du milieu en extension

ℎ   11 →4.43

Etant donné que le volume des solides est conservé

1  1 →4.44 Où, e = porosité du milieu au repos on peut donc calculer :

ℎ   11 →4.45 FAIR et GEYER, ont démontré que le degré d’expansion d’un milieu filtr ant est fonction de la charge superficielle ou vitesse ascendante de l’eau (U L) et la "vitesse de chute des particules"

(Vp).

   0,22 →4.46   −−, →4.47 (4.44) + (4.46) →



→ Quand il s’agit d’un milieu filtrant s tratifié

On remplace dans (4.46) et (4.47) U L par UC Charge superficielle critique pouvant fluidiser les plus grosses particules.

   . ,

→ (4.48)

  1 1 

→ (4.49)

4.5. FILTRES A SABLE RAPIDES. Les plus utilisés en potabilisation de l’eau. Dans ce type de filtre, le matériau est maintenu en place par gravité et l’écoulement de l’eau a lieu de haut vers le bas. Lorsque le milieu filtrant est encrassé, on lave le filtre en inversant le sens de l’éc oulement de l’eau, le milieu filtrant est alors en expansion et les particules d’impureté beaucoup moins denses que les grains de sable sont décollés et évacués à l’aide des goulottes de lavage. → Les principaux éléments d’un filtre rapide sont :

1°) Le fond de filtre : structure qui sépare le milieu filtrant de l’eau filtrée* ; → il doit être suffisamment solide pour supporter le milieu filtrant (une couche d’1 m de sable et de gravier) et l’eau située au -dessus du milieu filtrant (2m d’eau). → il permet en outre de :

- collecter et évacuer les eaux filtrés ; - distribuer uniformément l’eau de lavage ; Milieu filtrant Couche de gravier du sable Fond

2°) le gravier de support, situé immédiatement au-dessus du fond de filtre, permet : -

De retenir le sable du milieu filtrant D’améliorer la répartition de l’eau de lavage dans le filtre



→ l’épaisseur et les caractéristiques granulométriques de la couche de gravier de support est

fonction des caractéristiques des fonds de filtre et celles du milieu filtrant. 3°) le milieu filtrant (c’est -à-dire le sable ou l’anthracite) doit réunir certaines conditions

certaines propriétés physiques et caractéristiques granulométriques. Lorsqu’on utilise un filtre constitué d’une seule couche de sable, la charge superficielle

maximale est de 5m/heure. Et , la couche filtrante sera de 0,60 à 0,90m d’épaisseur et sera composée d’un sable de diamètre effectif de grains varie entre 0,35 et 0,50mm et dont le coefficient d’uniformité varie de 1,3 à 1,7. → après de nombreux lavages, le sable a tendance à se stratifier c’est -à-dire les grains les

plus fins demeurent alors en surface et les impuretés sont arrêtés par la couche supérieur du filtre qui est rapidement colmaté (bouché). Pour éviter ce problème, on utilise les "filtres bicouches" c’est -à-dire on a une couche de sable surmontée d’une couche d’anthracite et alternat ive q (pour les multicouches). Les grains d’anthracite qui sont légers et plus gros que ceux du sable vont demeurer au -

dessus du milieu filtrant.

Anthracite Sable

Ainsi, les petites particu les d’impuretés qui traversent la couche d’anthracite seront arrêtées au niveau de la couche de sable ; tandis que les grosses particules d’impuretés sont directement arrêtées au niveau de la couche d’anthracite.

NOTE : Les filtres à sable rapides a un temps de rétention de 2h à 10h00. 4.6. Fonctionnement et contrôle d’un filtre à sable rapide.

- Un filtre à sable rapide fonctionne mieux lorsque l’eau à filtrer a subi au préalable une coagulation – floculation suivie d’une décantation. Les qualités de l’eau filtrée peuvent être altérées par les facteurs ci-après : -

Les caractéristiques granulométriques du milieu filtrant La porosité du milieu filtrant L’épaisseur du milieu filtrant

La charge superficielle

→ l’Ir qui doit contrôle le fonctionnement d’un filtre à sable doit suivre respectivement les variations de la turbidité et les variations de pertes de charge (le colmatage) c’est -à-dire il



doit atteindre l’objectif de l’opération "filtration" à savoir produire une eau clarifiée, c’est -à-

dire celle dont la turbidité respecte les normes de (NTU : Norme de Turbidité). Pour l’eau potable, la turbidité normale est < 5 unités de turbidité mepthelé métrique. → la turbidité de l’effluent est influencée par les facteurs suivants :

1) Faible résistance du floc : la turbidité à la sortie du filtre est en général élevée ; et la période d’utilisation du filtre est courte.

2) 3) 4) 5) 

⇒

Décantation déficiente les pertes de charge s’augmentent très rapidement Augmentation de la charge superficielle Augmentation de l’épaisse ur du milieu filtrant Remplacement d’une couche de sable par une couche d’anthracite. Optimisation de l’utilisation d’un filtre

→ Pour optimiser l’utilisation d’un filtre, on doit le faire fonctionner de telle sorte que lorsque la turbidité de l’effluen t atteint la valeur maximale permise, les pertes de charge

atteignent elles aussi leur limite maximale permise. 

1) 2) 3) 4)

Mécanismes de lavage des filtres Lavage à l’eau seule Lavage à l’eau + l’air

Lavage avec brassage auxiliaire Lavage avec "effets de jets"

Lavage automatique

4.7. FILTRES A SABLE LENTS. Le temps de rétention dans l’ouvrage 10h à 20h c’est -à-dire 72heures.

Avantages -

Permettent de se passer de la coagulation à condition d’envisager une pré -

-

chloration Elimine les bactéries On peut se procurer le sable sur place On peut surveiller aisément son fonctionnement

Inconvénients : - occupent des grandes surfaces nécessitant de grandes installations. - manquent de souplesse d’exploitation



- exploitations coûteuses si la turbidité (NTU) reste élevée pendant de longues périodes * nécessitent l’arrêt de l’usine ou de la chaîne de production pendant le nettoyage

* exigent des précautions coûteuses pour la mise en exploitation ou la remise en route après nettoyage.

4.8. FILTRES SOUS-PRESSION ET FILTRES A TERRE DIATOPMEE Sous – pression : nécessitent le système de pompage pression de 1000 KPa. Injection d’eau dans le milieu filtrant à une vitesse excessive. Diatomée : eaux usées (eaux de piscine destinées à être recyclées).



CHAPITRE 5. : LA DESINFECTION 5.1. Buts et Principes généraux de la désinfection. → Par définition, la désinfection est un procédé de traitement visant à détruire ou éliminer

les micro-organismes (germes) susceptible de nuire à la santé humaine (il s’agit des mic roorganismes ou germes pathogènes contenus dans l’eau préalablement filtrée ). Désinfection ≠ stérilisation 



La désinfection concerne la destruction des germes banales et moins résistant ; elle est sélective. La stérilisation concerne la destruction totale de tous les germes ou microorganismes

Pour désinfecter l’eau, on ajoute à l’eau un produit chimique désinfectant qui a des

propriétés germicides et qui fournit une eau bactériologiquement potable. → les produits chimiques les plus utilisés sont : le chlore Cl 3 (la couleur du chlore est jaune –

vert), le dioxyde de chlore ClO 2, et l’ozone O3 → on utilise aussi le bromure d’hydrogene BH2, l’I2 et le KMnO 4(rares) Pour désinfecter l’eau, o n peut également utiliser des moyens (procédés) physiques

suivants : → Ébullition (un très bon procédé utilisé depuis le moyen age en industries alimentaires) → Ultrasons → Ultraviolets

Peu efficaces pour les petites quantités d’eaux



→ Rayon (peu efficace pour les petites quantités d ’eaux)

Les critères permettant à l’Ingénieur de choisir un désinfectant. En tenant compte de certaines conditions particulières C’est-à-dire - les caractéristiques et usages de l’eau, - les types de micro-organismes à

éliminer, - la qualité du réseau de distribution.

Un désinfectant ou un procédé de désinfection doit répondre aux critères ci-après : 1) Ne pas être toxique pour les hommes et les animaux 2) Etre toxique à faibles concentrations, pour les micro-organismes


3) 4) 5) 6)


Etre soluble dans l’eau Former avec l’eau une "solution homogène"

Etre efficace aux temps normaux de l’eau de consommation. (0°C →25°C) Etre stable, afin de favoriser le maintien d’une centaine [ ] résiduelle pendant de longues périodes de temps 7) Ne pas réagir avec la matière organique autre que celle des micro-organismes. 8) Ne pas détériorer les métaux ni endommager les vêtements lors de la lessives. 9) Eliminer les odeurs 10) Exister en grande quantité et être vendu à un prix abordable. 11) Etre facile à manipuler et ne faire courir aucun danger aux opérateurs 12) Permettre une mesure aisée de la [ ] et partant, un bon contrôle de cell-ci 80% de la désinfection de l’eau dans le monde par Cl2.

⇒

⇒

Inconvénients :

⇒

1) Cl2 réagit avec la matière organique de l’eau formation des substances cancérogènes (les Trihalométhanes) ou des odeurs désagréables (= les chlorophénols). 2) N’élimine pas certains virus et protozoaires. Cl 2 est plus puissant que le Cl 2 ou l’O3 c’est l’O3 qui présente l’inconvénient d’être "instable" . BM2 et I2 utilisées pour désinfecter les eaux de piscines.

⇒

→ Le taux de destruction des micro-organismes, est fonction de plusieurs variables :

-

La puissance du désinfectant La concentration du désinfectant Le temps de contact La température de l’eau Le pH de l’eau La [ ] des matières organiques dans l’eau.

→ La loi de CHICK est une loi empirique selon laquelle le taux de destruction des micro-

organismes est proportionnels au nombre de micro- organismes dans l’eau.

   Où,

→5.1

N = nombre de micro-organismes dans l’eau t = temps de contact K = constante de réaction (S -1)

En intégrant (5.1) avec N=N 0 au temps t=0

ln   →5.2


Et en tirant t


⇒  , log →5.3

Pour tenir compte de l’influence du temps de contact, on modifie la loi du CHICK.

 ′ →5.4  Où K’ et M’ sont des constantes

En intégrant (5.4) avec N=N 0 au t=0

+   ln      .   5.5 ⇒

(5.5) si M < 1, le taux de destruction décroît avec le temps, et si M > 1, ce taux croît avec le temps. → Pour tenir compte de la [ ] de désinfectant

 .   →5.6 Où, C = concentration de désinfectant



= temps de contact requis pour assurer un taux p(ou*ù) d’élimination des micro-organismes n = coefficient qui caractérise le type de désinfectant → Influence de la t° de l’eau

La variation de la constante K en fonction de la t° satisfait à la relation d’ARRHENIUS,

   . −∆/ . →5.7 Où,

K = Constante de réaction

 ∆      →5.8 loglog ,∆   = constante

= énergie d’activation (J)

= constante molaire des gaz (8,314 J.mol -1 . K-1)

= température absolue (°K)



En tenant compte de l’influence de la t° sur la constante K.

   . ∝−

→ (5.9)

Où,

  ∝

= constante de réaction à T° = constante de réaction à 20°C

= constante déterminée empiriquement.

5.2. Désinfection par le Cl 2 Le Cl2 gazeux et les hypochlorites réagissent rapidement dans l’eau qui est le produit actif de la destruction. Agent désinfectant du chimique.

Réaction du Cl 2 gazeux Cl2 + H2O → HOCl + Cl - + H+ → (5.10) Réaction de l’hypochlorite de sodium NaOCl

NaOCl + H2O → HOCl + Na + + OH- → (5.11) Réaction de l’hypochlorite de calcium

Ca(OCl)2 + 2H2O → 2HOCl + Ca2+ + 2OH- → (5.12) → l’acide hydrochloreux est un acide faible qui réagit de la manière suivante :

HOCl⇌

H+ + OCl-

→ (5.13)

(5.13) est fonction du pH de l ’eau et un pH élevé favorise la libération des ions hypochloreux OCl-

+][−] [    []   [] →5.14 [ ] []   Soit

produit de solubilité (constante molaire) → est fonction de la température.

→ le chlore gazeux réagit avec des composés azotés et hydrogénés pour produire le Cl2

combiné sous différentes formes. HOCl + NH3 → NH2Cl + H20 → (5.15)



HOCl + NH2Cl → NHCl2 + H20 → (5.16) HOCl + NHCl2 → NCl3 + H20 → (5.17) NH2Cl + NHCl2 + HOCl → N 20 + 4HCl → (5.18) 4NH2Cl + 3Cl2 + H20 → N2 + N20 + 10HCl → (5.19) 2NH2Cl + HOCl → N2 + H20 + 3HCl → (5.20) NH2Cl + NHCl2 → N2 + 3HCl → (5.21)

Comparaison des pouvoirs désinfectants dérivés du chlore. 1) Plus le degré d’oxydation du Cl 2 est élevé, plus le pouvoir oxydant du composé ainsi formé est accru. ClO2 → +4 HOCl → +1 

OCl-

→ +1

2) Pour comparer les efficacités respectives de divers désinfectant on doit mesurer les coefficients de mortalité de différents micro-organismes imputables à chacun de ces désinfectants.

Où,

 

  ,.  →5.22 : constante résiduelle de désinfectant(mg/l) : temps de contact nécessaire pour éliminer 99% des micro-organismes (en

minutes).

→ Selon le règlement de l’OMS sur l’eau potable, la [

] du Cl 2 libre doit être de 0,8 mg/l

après 10 minutes de contact. Où, la [ ] de Cl 2 total doit être de 0,2 mg/l après 60 minutes de contact. Ainsi, lorsqu’on a effectué une surchloration ou lorsqu’il y a eu déversement accidentel de

chlore, il faut procéder à une déchloration, 1°) par des produits sulfurés. Dioxyde de soufre (SO 2) ; sulfite de sodium (Na 2SO3), 2°) par de charbon activé (c) SO2 + HOCl + H 20

→

−

Cl- + S

+ 3H+

→ (5.23)


SO2 + NH2Cl + 2H20 →

− +

Cl- + S

+ N


+ 2H+

NaSO3 + Cl2 + H20 → Na2SO4 + 2HCl

→ (5.24)

→ (5.25)

C + 2Cl2+ 2H20 → 4HCl + CO2 → (5.26)

+

C + 2NH2Cl + 2H20 → CO2 + 2N

+ 2Cl-

C + 4NHCl2 + 2H20 → CO2 + 2N2 + 8Cl-

→ (5.27) → (5.28)

5.3. Désinfection par le dioxyde de Chlore ClO 2 → le Cl2 réagit avec certaines substances ou matières organiques

⇒

les organochlorés ou les sous-produits cancérogènes (trinalométhanes) après 1974, on a commencé à utiliser de plus en plus le ClO2. Le Cl2 est moins coûteux que le ClO2. → On traite d’abord les eaux avec du ClO2 (eaux contenant trop de matières organiques) qui désoxyde et désinfecte les matières organiques, ce qui permet d’éliminer une bonne

partie des odeurs et des goûts sans générer de sous-produits cancérogènes. Ensuite, lorsqu’une fraction importante de la matière organique a été oxydée ou él iminée,

on effectue une post chloration qui permet de maintenir la [ ] résiduelle du Cl 2 dans l’eau distribuée. →Propriétés physiques et chimiques du ClO 2.

ClO2 est un gaz instable et explosif à t° -40°C qui dégage une odeur irritante. A une [ ] de 0,25 mg/l et à 20°C, sa solubilité est de ……………………… 1°) Bien qu’il soit 4 g/l, alors que celle du Cl2 est de 7 g/l, bien qu’il soit très soluble, ClO 2 ne réagit pas chimiquement avec l’eau.

2°) ClO2 réagit rapidement avec la matière oxydante. 3°) ClO2 ne réagit pas avec l’azote ammoniacal. 4°) ClO2 ne forme pas les trihalométhanes lorsqu’on l’utilise pour désinfecter l’eau contenant des matières organiques. 5°) ClO2 est plus soluble dans l’eau que le Cl 2 6°) ClO2 permet d’éliminer très efficacement les "phénols" des eaux d’égouts dont la demande biologique en oxygène DBO est > 60 mg/l et pH 8,5. ClO2 très efficace que Cl2pour détruire les spores.

≃



Produit du ClO2 (réaction du chlorite de Na avec le Cl 2). 2NaClO2 + Cl2 potables).

→ ClO2 + NaCl (procédé CIFEC dans les usines de traitements des eaux

5.4. Désinfectant par l’ozone (O 3)

O3 est un gaz bleu, irritant et dangereux à faible [ ]

≃

0,25 mg/l.

O3 est moins soluble dans l’eau que le Cl 2 [ ] = 570 mg/l à 20°C. → O3 permet de réduire les odeurs, les g oûts, les couleurs et l’élimination des produits à

base de phénols. Déferrisation et démanganaison. O 3 On a pouvoir oxydant très élevé. Pouvoir désinfectant du O 3 > 10 à 100 x celui du chlore. → * Production de l’O 3

O3 est un gaz instable composé des molécules d’oxygène triatomiques. Puisque O3 se décompose instantanément en O 2. On le produit immédiatement avant son utilisation grâce à l’émission d’un flux électrique sous haute tension dans une atmosphère contenant de l’air sec c’est -à-dire qu’il y a

production d’ozone lorsqu’on impose une d.d.p élevée (en courant alternatif), avec deux électrodes entre lesquelles circule de l’air sec ou de l’O 2 pur. → Les critères que l’I ngénieur doit prendre en considération pour la conception d’un générateur d’ozone sont :

-

La d.d.p La fréquence du courant alternatif Les caractéristiques du matériau diélectrique (courante diélectrique et l’épaisseur) et l’espace qui sépare les diélectriques.

→ Dans les conditions optimales de production de l’ozone, on a : ∆E = k . p . L

Et,

    £ ∆/ 

Où,

∆

= ddp entre les électrodes

p = pression du gaz entre les électrodes



L = distance entre les élctrodes Y/A = production d’ozone par unité de surface des électrodes

n = fréquence du courant électrique

£ 

= constante diélectrique = épaisseur du diélectrique



CHAPITRE 6. : QUELQUES TRAITEMENTS (POTABILISATION) PARTICULIERS DES SPECIFIQUES (EAUX SOUTERRAINES ET EAUX SAUMATRES OU DE MER)

EAUX

BRUTES

6.1. Adoucissement des "Eaux dures" Eaux durs → eaux douces « potables » Par définition, les Eaux durs ce sont des eaux qui Contiennent des concentrations des ions métalliques bivalents : Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, Sr2+ Dureté calcique lorsqu’il y a une forte concentration de Ca 2+,

Dureté magnésienne lorsqu’il y a une forte concentration de Mg 2+, → l’origine de la dureté provient essentiellement du contact des eaux souterraines et des

formations rocheuses ( calcaire, Cac0 3). → Les “eaux dures” peuvent être consommés par des “personnes en bonne santé”, dont les “reins” peuvent encore évacuer ces métaux.

Ces eaux dures consomment plus des "savons de lessive". → On peut exprimer les concentrations de tous les ions (cations et anions) en concentrations

équivalentes de CaCO3. L’expression de la dureté est :

  [  ]   Où,

[  ]

= Concentration de l’ion (mg/l de CaCO3)

C = Concentration de l’ion (mg/l)

ME = masse équivalente de l’ion (= masse atomique ou masse moléculaire divisée par la valence). M.E de

[++]0  2416  40     2

D’où provient le nombre 50 ?



Effet on sait que Caco 3 donne 40 + 12 + 48 = 100 g Et la valence du Cac0 3 vaut 2 car Ca2+ co32+ Alors la masse équivalente M E =

 = 50 

6.2. Adoucissement des eaux dures. Nous avons deux procédés à savoir : 1°) Par précipitation a) procédé d’adouci ssement par addition de chaux seulement. CaO = Chaux vice , Ca(OH) 2 =

Chaux éteinte Al2(S04) + Ca(OH)2 + n H2O→ CaCO4 + Al(OH)3 b) procédé par addition de la chaux et de soude Ca(HCO3)2 + Ca(OH) 2 → 2CaCO3 + 2H2O Na2CO3 + Ca(OH) 2 → CaCO3 + 2Na2OH + H2O NaOH + Ca(HCO3)2 → CaCO3 + Na2CO3+ H2O c) par addition d’un excès de chaux

Ca(HCO3)2 + Ca(OH) 2 → 2CaCO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH) + 2CaCO3 + 2H2O Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O d) par addition d’excès de chaux et de soude

2°) Par Absorption à la surface et "échangeurs à ions" Sont des procédés utilisés pour éliminer les « substances humiques » responsables des odeurs, des goûts de la couleur et les phénols créols phénomènes chimiques (réactions chimiques).



Les phénols créols sont des substances toxiques non biodégradables. Les échangeurs d’ions servent à éliminer les ions de Ca 2+, Mg2+, Fe2+ (adoucissement des

eaux) + réduction de la concentration des substances azotées et phosphorées. Ca(OH) 2, Na(HCO3) → On utilise :

a)des "Résines échangeuses d ’ions » cations, b)des "Résines échangeuses d’ions » anions : S042- , HCO3- , OH-

6.3. Elimination du Fer et de Manganèse. (Procédés de déferrisation et de démanganisation) Le fer et le manganèse sont des oligo- éléments de l’organisme humainn qui en principe ne constituent pas un danger pour la santé humaine ; mais ils sont considérés comme des éléments indésirables et donne un goût métallique à l’eau , salissent ou colorent les bouilloires « corrosion » (présence des taches rouilles). En conséquence, une eau contenant des fortes concentrations de fer (Fe 2+, Fe3+) et de manganèse ( Mn2+) présente les risques de corrosion et d’obstruction des canalisations par précipitation de dépôts générateurs des piles.

Ces procedés : - Permet d’éliminer à l’eau un goût métallique désagréable. Le Fer + le Mn

→ tacher les tissus lors de la lessive → tacher les équipements sanitaires (baignoires, cuvettes en

porcelaine, …) → favoriser la croissance des bactéries ferrigineuses.

Types des Procédés de féferrisation et de démanganisation 

Par oxydation (par oxygène) :

⇌ ⇌

4Fe3+ + O2 + 10H20 2Mn2+ + O2 + 2H20 :

4Fe(OH)3 + 8H+

2MnO + 4H+


Par chlore



2Fe3+ + Cl2 + 6H20 Mn2+ + Cl2 + 2H20

⇌ ⇌

2Fe(OH)3 + 3Cl- + 6H+

MnC + 2Cl- + 4H+



Par KMO4 Par ClO2 Par O3



Par précipitation sous forme de carbonates

 

FeCO3

⇌ ⇌

MnCO3 


Fe2+ + CO32 Mn2+ + CO32-

Par échangeurs d’ions

Résines échangeurs des cations.

6.4. "Stabilisation de l’eau” (traité selon la filière classique) C’est ce qu’il faut faire après traitement de l’eau (coagulation, floculation, décantation,

filtration, désinfection) ; l’opération consiste à réajuster le pH si celui-ci est < 6,5 à la sortie des filtres c’est -à-dire que l’eau est acide avant sa distribution. Il s’agit de la neutralisation de l’eau par ajout de la chaux (NaOH)

Par dilution avec une H2O potable de manière à amener l’eau à son pH d’équilibre ou pH de saturation c’est -à-dire un pH pour lequel le CaCO3 contenu dans l’eau ne peut être ni dissout ni précipité.

6.4. "Fluoruration" et "défluoruration" 1°) Fluoruration des eaux La Fluoruration des eaux se fait pour prévenir les "caries dentaires" (surtout chez les enfants). La Fluoruration des eaux se fait par procédé chimique c-à-d ajout de NaF et ajout de l’hexafluorosilicate Na2SiF6 dans l’eau en vue d’augmenter pourcentage de fluor 2°) Défluoruration des eaux



En effet l’ excès de fluor provoque des piqures de l’email des dents.

La Défluoruration se fait par :



Absorption par Mg(OH)2 Précipitation par Ca(OH) 2



Utilisation de l’Alain



Utilisation des échangeurs d’ions



La méthode simple = dilution de cette eau dans une eau ne contenant pas des ions de fluor.

6.5. Elimination de l’Azote ( Nitrates NO3- et Ammonium NH 4+) Par élimination de l’azote ou « dénitrafication », nous éliminons le nitrate et l’ammonium

qui constituent une concentration optimale et exagérée ; ils deviennent désagréables ou dangereuses pour la santé humaine (probables cas de cancer). Ces eaux de surface sont polluées du fait de l’utilisation des engrais et des deversements industriels.

1°) Elimination des Nitrates de concentreation optimale se fait par :   

Résines échangeurs d’ions

Fixation ou Regéneration Respiratioin nitratée (procédé biologique)

2°) Elimination des ammonium de concentreation optimale se fait par :   

Oxydation Echanges ioniques Métabolisme (procédé biologique)

6.6 Elimination des pesticides Les pesticides sont des micropolluants organiques de synthèse herbicide, fongicides, algicides, insecticides (engrais agricoles) La toxicité des pesticides provient de leur grande persistance dans le sol et dans l’eau ; et de leur bioaccumulation dans ceratins tissus humains → cancers

La plus part des procédés d’élimination des pestic ides sont inefficaces Il y a élimination par Oxydation ou par absorption

Le Traitement Des Eaux. OP

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