Office National de l’Eau Potable Institut International de l’Eau et de l’Assainissement Direction Ingénierie de Formation
Traitement des eaux destinées à l’alimentation humaine
Animé par Mohamed LAAOUAN 1
Plan du cours
Généralités
Cycle de l’eau Sources d’approvisionnement de l’eau
Normes de qualité de l’eau Prétraitements de l’eau
Dégrillage Dessablage Tamisage Débourbage Pré- oxydation physicochimique Pré- chloration
Traitements non conventionnels (spécifiques) Déferrisation - démanganisation Procédés physicochimiques Procédés biologiques Équilibres calco- carbonique Traitement des eaux agressives Traitement des eaux incrustantes
Traitement conventionnel de l’eau Coagulation- floculation Décantation Filtration Désinfection
Réactifs de traitement
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Généralités Cycle de l’eau L’un des grands secrets de la vie sur terre, dont l’existence remonte à plus de quatre milliards d’années, réside dans la présence de l’eau et du jeu des innombrables cycles naturels. Ces cycles permettent de renouveler sans cesse les richesses de la planète et s’ils n’existaient pas tout ce que la nature produit (feuilles, verres, insectes, oiseaux, animaux,... ) se transformerait en détritus. L’un des plus importants de ces cycles est celui de l’eau. Il doit rester intact afin d’assurer la continuité de la vie sur terre. Par ailleurs, le cycle de l’eau n’est qu’un sous ensemble d’un système incluant le climat et la biomasse. Toute intervention sur ce cycle (par prélèvement ou rejets liés à la consommation par l’homme) implique des ruptures d’équilibre à conséquences néfastes aussi bien pour la vie sur terre que pour le milieu aquatique.
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1. L'évaporation : chauffée par le soleil, l'eau des océans, des rivières et des lacs s'évapore et monte dans l'atmosphère. 2. La condensation : au contact des couches d'air froid de l'atmosphère, la vapeur d'eau se condense en minuscules gouttelettes qui, poussées par les vents, se rassemblent et forment des nuages. 3. Les précipitations : les nuages déversent leur contenu sur la terre, sous forme de pluie, neige ou grêle. 4. Le ruissellement : la plus grande partie de l'eau tombe directement dans les océans. Le reste s'infiltre dans le sol (pour former des nappes souterraines qui donnent naissance à des sources) ou ruisselle pour aller grossir les rivières qui à leur tour, vont alimenter les océans. Et le cycle recommence… 4
Sources d’approvisionnement de l’eau
Eaux de pluie
Eaux de surface
Eaux souterraines
Eaux de mer
Eau des rivières Eau des lacs Eau des retenues 5
1- Eaux de pluie - bonne qualité, - saturées en oxygène et d’azote, - dépourvue des sels dissous, donc très douce, - dans des régions industrialisées : contamination par les poussières atmosphériques (H2S, CO, CO2, SO2, …)
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2- Eaux de surface 2-1- Eaux rivières (partie amont) : - turbidité élevée, - contamination bactérienne faible, - température froide : proviennent soit des sources soit de fonte des neiges, - indice de couleur faible. 2-2- Eaux rivières (partie aval) : - contamination bactérienne élevée, - contamination organique et inorganique élevée, - indice de couleur peut être élevée. 7
2-3- Eaux des lacs, eaux des retenues : - considéré comme bassin naturel de décantation, - variation de la température en fonction de la profondeur et de la saison, - exposées aux phénomènes d’eutrophisation,
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3- Eaux souterraines - turbidité faible, - contamination bactérienne faible, - température constante, - indice de couleur faible, - débit constant, - dureté souvent élevée (Mg2+, Ca2+, etc.) - présence de fer et de manganèse (souvent)
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4- Eaux de mer Les eaux de mer sont une source d’eau brute qu’on utilise lorsqu’il n’ya pas moyens de s’approvisionner en eau douce. Les eaux de mer sont caractérisées par une concentration en sels dissous élevée (33 à 37 g/l),
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Eau saumâtre : 1300 millions Km3 Eau douce : 4,2 millions Km3, soit 0,3 % de la totalité d’eau sur terre
3% Océans Continents
Seul 0,014% des 3% est accessible aux êtres humains !!!!!
97%
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Pourquoi traiter l’eau ? Estimations de l’OMS (1981 – 1990) 80% des maladies d’origine hydrique (consommation de l’eau polluée) ; - 400 millions de personnes atteintes de gastro-entérite (inflammation aiguë ou chronique de la muqueuse de l’estomac) - 200 millions de schistosomase (bilharziose), - 160 millions de paludisme (malaria), - 300 millions d’onchocercose (parasitose fréquente en Afrique). 50% de cas de mortalité infantile ;
Nécessité de traitement 12
Caractéristiques de l’eau brute
?
Choix de procédé
Procédés de traitement
Atteindre les objectifs de qualité (Respect des normes)
? Eau traitée
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Normes de qualité de l’eau L’eau devra être agréable au goût, dépourvue d’odeur désagréable, limpide et dépourvue également de toutes substances chimique, physique et bactériologique qui peuvent porter préjudice à la santé de consommateur. NORME MAROCAINE NM 03.7.001 Cette norme annule et remplace la norme 03.7.001 version 1991. Elaborée par le comité technique de normalisation des eaux d’alimentation humaine Editée et diffusée par le Service de Normalisation Industrielle Marocaine (SNIMA)
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PARAMETRES A EFFET SANITAIRE
A : Paramètres bactériologiques PARAMETRES Escherichia coli Entérocoques intestinaux
VMA 0/100 mL 0/100 mL
COMMENTAIRES Les teneurs en chlore résiduel doivent être comprises entre : 0,1 et 1 mg/l à la distribution 0,5 à 1,0 mg/l à la production
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B - Substances minérales
PARAMETRES
EXPRESSION DES RESULTATS
VMA
COMMENTAIRES
Somme des rapports : (NO3)/50 + (NO2)/3 ne doit pas dépasser 1. 0,1mg/l de NO2 doit être respectée au départ des installations de traitement
Nitrites
NO2:mg/l
0,5
Nitrates
NO3:mg/l
50
Arsenic Baryum Cadmium Cyanures Chrome Manganèse
As : µg/1 Ba : mg/1 Cd : µg/1 CN : µg/1 Cr : µg/1 Mn : mg/l
10 0,7 3 70 50 0,5
Plaintes du consommateur à partir de 0.1 mg/l
Cuivre
Cu : mg/1
2
Plaintes du consommateur à partir de 1 mg/l
Fluorures Mercure Plomb
F : mg/1 Hg : µg/1 Pb : µg /1
1,5 1 10
Sélénium Bore Nickel
Se : µg/1 B : mg/1 Ni : µg/1
10 0,3 20
La VMA de 50 µgPb/l sera appliquée jusqu’à 2010, à partir de cette date, la VMA de 25 µgPb/l est imposable jusqu’à 2015. Au delà de 2015 c’est la VMA de 10 µgPb/l qui sera respectée.
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C - Substances organiques PARAMETRES
Pesticides 1-par substance individualisée A l'exception des substances suivantes : - Aldrine, dieldrine, l'heptachlore et l'heptachlorépoxde 2- et pour le total des substances mesurées
Hydrocarbures polycycliques Aromatiques (HPA) total de substances suivantes: 1. Benzo(b) fluorranthène, 2. Benzo(k) fluorranthène, 3. Benzo(ghi)pérylène 4. Indénol(1.2.3-cd)pyrène Benzo(a) pyrène Benzène Trihalométhanes (THM) Chloroforme Bromoforme Dibromochlorométhane Bromodichlorométhane
EXPRESSION DES RESULTATS
VMA
µg/l µg/l µg/l
0.1 0.03 0.5
µg/l µg/l µg/l
0.1 0.01 1
µg/l µg/l µg/l µg/l
200 100 100 60
COMMENTAIRES
Par «pesticides» on entend: -les insecticides organiques -les herbicides organiques -les fongicides organiques -les nématocides organiques -les acaricides organiques -les algicides organiques -les rodenticides organiques -les produits antimoisissures organiques -les produits apparentés (notamment les régulateurs de croissances) et leurs métabolites, produits de dégradations et de réaction pertinents.
Il est recommandé de plus que la somme des rapports de la concentration de chacune de ces substances à sa VMA respective ne dépasse pas 1.
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D : Constituants radioactifs de l’eau PARAMETRES
EXPRESSION DES
VMA
COMMENTAIRES
Si la VMA est dépassée il faut procéder à une analyse plus détaillée des radionucléïdes. Des valeurs plus élevées ne signifient pas nécessairement que l’eau est impropre à la consommation.
RESULTATS
Activité alpha globale
Bq/l
0,1
Activité bêta globale
Bq/l
1
Bq/l : Becquerel par litre
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PARAMÈTRES BACTÉRIOLOGIQUES INDICATEURS DU FONCTIONNEMENT DES INSTALLATIONS ET DE L’EFFICACITÉ DE TRAITEMENT
E – paramètres bactériologiques 0/100 mL Coliformes
Spores de microorganismes anaérobies sulfitoréducteurs (clostridia)
0/100 mL
Micro-organismes revivifiables à 22 °C et 37 °C
20/ mL à 37°C 100/ mL à 22°C
- Pas de coliformes dans 95% des échantillons prélevés sur une période de 12 mois - Pas de résultats positifs dans deux échantillons consécutifs Ce paramètre doit être mesuré lorsque l’eau est d’origine superficielle ou influencée par une eau d’origine superficielle.
Variation dans un rapport de 10 par rapport à la valeur habituelle
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SUBSTANCES INDÉSIRABLES ET/OU POUVANT DONNER LIEU À DES PLAINTES F : paramètres physico-chimiques EXPRESSION DES RESULTATS
VMA
Odeur
Seuil de perception à 25°C
3
Saveur
Seuil de perception à 25°C
3
Couleur réelle
Unité Pt mg/1
20
Turbidité
Unité de turbidité néphélomètrique (NTU)
5
Température
°C
Acceptable
Potentiel hydrogène Conductivité
Unités pH
6,5
µS/cm à 20°C
2700
Chlorures Sulfates
Cl:mg/l SO4:mg/l
750 400
Oxygène dissous
O2:mg O2/l
5 ≤O2 ≤8
Aluminium
Al : mg/1
0,2
Ammonium
NH4: mg/l
0,5
Oxydabilité au KMNO4
O2: mg O2/l
5
PARAMETRES
Hydrogène sulfuré
Fer Zinc
COMMENTAIRES
Turbidité médiane ≤ 1 NTU et Turbidité de l’échantillon ≤ 5NTU.
Pour que la désinfection de l’eau par le chlore soit efficace, le pH doit être de préférence<8
La valeur de 2 mg O2/l doit être respectée au départ des installations de traitement
Non détectable organoleptique ment Fe:mg/l Zn: mg/l
0,3 3
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Traitement de l’eau Critères de choix d’une filière de traitement La filière de traitement dépend de la qualité de l’eau. Cependant, on peut citer quelques points particuliers qui peuvent tracer une ligne de traitement et qui sont comme suit : Dessablage : Le dessablage est recommandé lorsque l’eau brute présente des teneurs importantes en sable. Le sable a une action néfaste sur les roues et le corps des pompes d’eau brute. Débourbage : La teneur de l’eau en MES conditionne le choix des ouvrages dans une station de traitement. Ainsi, si les décanteurs sont raclées, il faut prévoir le débourbage à partir d’une teneur de l’ordre de 5 g/l en MES ; si non, le débourbage est à prévoir à partir de 2 g/l.
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Traitement de l’eau Critères de choix d’une filière de traitement Préchloration : lorsque la teneur de la matière organique est importante dans l’eau brute, il y a lieu de prévoir une préchloration. Déferrisation - démanganisation : Le fer et le manganèse sont en principe éliminés par la préchloration et la clarification. Au cas où la nécessité se présente, un oxydant fort est à prévoir pour oxyder ces éléments. Utilisation du charbon actif : un traitement complémentaire au charbon actif est parfois nécessaire pour éliminer les mauvais goûts. Désinfection : une désinfection est nécessaire en fin de traitement en vue de pallier le risque d’une pollution bactérienne,.
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Un débourbeur est prévu en amont de décanteurs non raclé quand MES >2g/l et d’environ 5 g/l en amont de décanteur raclé. Rendement : -50 a 65% sans adjonction de réactif -75 a 98 % avec réactifs (de l'ordre du tiers de celle déterminée par le Jar-Test) - Pour une MES de 2 à 10 g/l, le temps de rétention et 1 à 2 heures et à une vitesse ascensionnelle ne dépassant pas 1,5 m/h - Pour une MES de 10 et 50 g/l, le temps de rétention sera au minimum de 2 heures et la vitesse ascensionnelle ne doit pas dépasser 1 m/h.
Différentes étapes d’une filière de traitement conventionnel Polyelectrolyte FeCl3 Alginate
Prise d’eau brute
MES> 2g/L
Degrillage Coagulation : temps de rétention de l’ordre de 2 minutes - vitesse de transfert ne doit pas dépasser 0,3 m/s. Floculation : Sans floculant Tf= de 30 min ; Avec floculant Tf est habituellement réduit de moitié
1 NUT et même moins peut être obtenue à la sortie d'un bon décanteur, de même qu'une couleur inférieure à 5 Unité Pt mg/l -la vitesse et le temps de séjour varient en fonction de type de décanteurs 0,5 ≤ V ≤ 7 m/h 1h ≤ Tr ≤ 2h La Vitesse de filtration doit être ≤ 7m/h et celle durant le lavage d’un filtre ne doit pas dépasser 9, 50 m/h. - L’eau filtrée présentera une turbidité ≤ 0,5 NTU
Dessablage
MES< 2g/L
Coagulation/ Floculation
Débourbage Boue
156NTU
0,1 g/l MES
Décantation 1-5 NTU
Filtration
Traitement des rejets
0,5 NTU
Désinfection
Eau traitée 0,5 -1 mg/l Chlore
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Prétraitement
Il existe une limite supérieure de la teneur en matières en suspension, généralement de 2g/l, au-delà de laquelle il est indispensable de prévoir en amont de l'étape de clarification, débourbage ou de dessablage (suivant la taille des particules à éliminer et variable suivant le modèle de décanteurs).
Charge eau brute MES
prétraitement
Débit
MES< 2 g/l
By-pass
Plein débit
2 g/l
Oui
Plein débit
20g/l
oui
Mi débit
MES> 50g/l
Arrêt de la station 24
Dégrillage Le dégrilleur est l’un des premiers éléments qu’on rencontre à l’entrée d’une station de traitement, situé e général à l’amont des pompes et a pour rôle : Protéger les pompes contre les éléments volumineux; Arrêter et éliminer les matières encombrantes et abrasives; Améliorer l’efficacité des traitements ultérieurs.
Dans la majorité des cas, le dégrillage est précédé par une grille grossière installée dans la structure de la prise d’eau pour protéger la conduite d’adduction.
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Dégrillage Le type de dégrillage est définit en fonction de l’écartement entre les barreaux de grille :
Type de dégrillage
Ecartement
Dégrillage fin
inférieur à 10 mm
Dégrillage grossier
supérieur à 40 mm
Dégrillage moyen
de 10 à 40 mm
Le dégrillage est assuré soit par une grille à nettoyage manuel (largement
dimensionnée pour réduire la fréquence des opérations de collecte des résidus), soit, de préférence, par une grille à nettoyage automatique (obligatoire pour les gros débits ou pour des eaux très chargées).
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Dégrillage Les déchets recueillis sont placés dans un réceptacle de capacité calculée en fonction de la fréquence acceptable des interventions d’évacuation. Les espacements retenus pour une eau de surface varient généralement de 4 à 10 mm, ce qui constitue un dégrillage fin. Dans ce cas, il est fortement recommandé de prévoir un nettoyage automatique des grilles. Pour des installations de petite taille avec des eaux de surface faiblement chargées, des grilles à nettoyage manuel peuvent être utilisées. Dans ce cas, les espacements sont beaucoup plus grands, de l’ordre de 50 mm.
La vitesse de passage à travers la grille doit être suffisante pour obtenir l’application des matières sur la grille, sans provoquer une perte de charge importante, ni entraîner un colmatage en profondeur des barreaux ou un départ des matières avec le flot.
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Dégrillage Grilles à nettoyage manuel
Dans des stations de petite taille, une grille à nettoyage manuel peut s’avérer une solution économique.
La grille à nettoyage manuel, composée de barreaux droits, ronds ou rectangulaires, est généralement inclinée de 60º à 80º sur l’horizontale pour faciliter le raclage. Elle est munie de grillages formant des sections d’environ 50 mm par 50 mm ou moins.
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Dégrillage Grilles mobiles à nettoyage automatique
Dans des stations de taille moyenne (20 000 m 3 /j), les grilles mobiles à nettoyage automatique peuvent être utilisées pour éliminer le nettoyage quotidien. Elles sont composées d’une série de tamis rectangulaires avec un mouvement circulaire ascendant. Chaque tamis est nettoyé par des jets d’eau. L’espacement entre les mailles se situe entre 4 et 10 mm pour ce genre de système.
Grilles fixes à nettoyage automatique
Pour des stations qui traitent des eaux de surfaces où la quantité de débris est importante, ce sont fréquemment des grilles fixes à nettoyage automatique qui sont retenues. Ces grilles sont plus solides pour résister aux débris importants et elles sont plus efficaces pour remonter des débris de différentes tailles à la surface. 29
Dégrillage
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Dégrillage Conditions d’installation Les vitesses de passage entre barreaux généralement admises sont de l’ordre de 0,60 à 1,0 m/s au débit maximal avec ∆h de 0,1 à 0,4 m. Avec le rapport : [Ecartement des barres/(écartement des barres + épaisseur des barres)] voisin de 1.
Dimensionnement La surface minimale nécessaire de la grille est donnée par : S = Qmax / V.a.c
- Qmax : débit max à l’horizon de l’étude -V : vitesse d’écoulement du flot - a : espace libre entre barreaux / largeur totale de la grille - c : coefficient de colmatage (grille manuelle 0,1 à 0,3; grille automatique 0,4 à 0,5) 31
Dégrillage Déchets de dégrillage Ils dépendent de : -Débit traité, -Nature des MES, -Finesse du dégrillage La fréquence de nettoyage est imposée par la perte de charge :
∆h = β.(I/b)4/3 . Hv.sinθ - I : largeur apparente des barres face au courant - b : espace entre les barres - Hv : V2/2g : énergie cinétique en amont des barres - θ : angle d’inclinaison - β : coefficient de forme 32
Dessablage
Le dessablage a pour but d'extraire des eaux brutes les graviers, sable et particules minérales plus ou moins fines (granulométrie supérieure à 200 microns), de façon a éviter les dépôts dans les canaux e conduites, a protéger les pompes et autres appareils contre l'abrasion, et éviter de surcharger les équipements de traitement subséquents. En générale, une prise d'eau doit être conçue de façon a éviter au maximum l'entraînement de sable. Si les conditions ne le permet pas, il faut prévoir un dessableur, Particulièrement, si l'installation doit comporter des débourbeurs, on pourra alors éliminer les particules de dimension supérieures a 0,3 mm de diamètre dans un dessableur Si l'installation comporte un tamisage ( a maille de 1 a 2 mm, par exemple) le dessablage doit se faire auparavant pour éviter les problèmes de bouchage des tamis 33
Dessablage
La conception de l'ouvrage de dessablement sera basée sur les critères suivants : Vitesse horizontale d’alimentation du dessableur : V = 0,4 m/s maximum;
Rapport de la largeur/Hauteur du dessableur : l/H= 4 Les deux paramètres précités définissent la section transversale du dessableur. La longueur du dessableur sera déterminée en fonction des estimations concernant le taux de rétention ( % d’élimination ) des différentes particules de sable ( selon leur granulométrie ) et des caractéristiques conceptuelles du dessableur.
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Dessablage Principaux types de dessablage - Dessableur couloir simple: la vitesse d’écoulement varie avec le débit, petites stations, extraction manuelle de sable tous les 4 à 5 jours. - Dessableur couloir : vitesse constante (0,3 m/s), un ou deux canaux à section parabolique ou avec déversoir proportionnel, extraction mécanique des sables, temps de séjour de 1 à 2 mn. - Dessableur circulaire: alimentation tangentielle, vitesse constante quelque soit le débit, stockage de sable dans une trémie centrale, extraction de sable par aspiration, essorage gravitaire, Temps de séjour de 2 à 3 min. 35
Dessablage Principaux types de dessablage - Dessableur rectangulaire aéré: insufflation d’air dans le sens transversal rotation du liquide, vitesse de balayage du liquide constante et perpendiculaire à la vitesse de transit, l’air permet la séparation des matières organiques du sable, extraction automatique des sables (raclage sans fin, pompe suceuse) rendement moyen de 80%, Temps de séjour de 3 à 5 min.
Dessableur rectangulaire
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Dessablage Dimensionnement Le domaine usuel du dessablage porte sur les particules de granulométrie supérieure à 200 µm, Section parabolique : Dans un bassin quelconque :
Q = S.V
V maintenu constante section varie avec le débit, S varie en fonction de h (largeur constante)
dS = I. ∫h.dh entre 0 et H
S = I.H3/2
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Dessablage Dimensionnement Déversoir proportionnel :
La sortie du canal est munie d’un déversoir :
Qp = 2.b.(a.g)1/2.(h+(2/3).a) X = b.(1-2/п arctg(y/a)1/2)
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Dessablage Dimensionnement
Dessableur rectangulaire
Eléments de calcul : En pratique : dessableur à canal. La vitesse de chute des particules dont Ф ≥ 0,2 mm, Vo = 50 à 70 m/h La particule est arrêtée si Vo/V ≥ h/L V : vitesse de flot, H : hauteur d’eau dans le canal, L : longueur du canal soit encore: Vo.l.h / Q ≥ h/L L étant la largeur du canal et Q le débit en m3/h
Lh ≥ Q/Vo S ≥ Qmax/50
Pour ne pas mettre les sables en suspension, il y a lieu de vérifier que l/h est compris entre 10 et 15
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Tamisage Le tamisage est pratiqué lorsque les MES sont de petites tailles : Filtration sur toile, Quelques micromètres à 3 mm
Après une éventuelle étape de dégrillage, l'eau traverse un tamis constitué de mailles fines, qui permettent d'arrêter les petits déchets. C'est une filtration sur support mince, Lorsque les tamis sont bouchés, ils sont nettoyés à l'eau sous-pression (manuellement ou automatiquement). Puis les déchets (refus) sont envoyés en décharge, Il existe plusieurs types de tamis, notamment : Le tamis rotatif, Le tamis statique.
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Tamisage Tamis rotatif Principe de fonctionnement : 1. Après avoir traversé le caisson de répartition, le liquide arrive sur un déversoir sur le quart supérieur du tambour. L'eau traverse la grille alors que les solides se déposent sur la grille puis dans un réservoir externe, par l'intermédiaire d'un grattoir. 2. Le liquide filtré traverse le tambour à contre-courant et assure le nettoyage du filtre. 3. Le déflecteur interne permet d'éviter la projection du liquide sur les parties solides.
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Tamisage Tamis rotatif
tamis rotatif à alimentation extérieure et nettoyage mécanique 1-Arrivée d'eau brute. 2 -Boite d'alimentation. 3 -Tamis. 4 -Refus. 5-Lame de raclage. 6 - Sortie d'eau tamisée.
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Tamisage Tamis statique Principe de fonctionnement : 1-
Une raclette de réglage permet d'orienter le produit au déversement sur la grille.
2-
Une filtration gravitaire s'effectue et une séparation du produit solide et du produit liquide est alors réalisée.
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Débourbage Le débourbage est une opération qui précède la coagulation-floculation, lorsque la ressource est très fortement chargée en M.E.S et/ou matières décantables, tels que boues et/ou sables par exemple, Le traitement d’une eau chargée nécessite généralement une double clarification, dont la première consiste en un débourbage de l’eau brute après addition du coagulant approprié. La deuxième clarification consiste en une coagulation-floculation-décantation et filtration.
Débourbeur circulaire
Débourbeur lamellaire
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Débourbage Suivant la qualité de l’eau à traiter, il sera fait recours à ce stade d’un coagulant et/ou d’un floculant( sulfate d'alumine, polyelectrolytes) . Dans ce cas, en doit prévoir un mélangeur rapide avant le débourbeur et ce en vue d’une première coagulation. Suivant la charge de MES et leur nature, un débourbeur doit être dimensionné comme un décanteur ou comme un épaississeur des boues, lorsque la charge de l’eau brute dépasse 20 à 30 g/l. la vitesse ascensionnelle varie entre 0,5 m/h et 2 m/h et le temps de contact est compris entre 2 et 5 heures. Lorsque les débourbeurs travaillent en décanteurs, leurs vitesse ascensionnelle varie entre 2 et 6 m/h suivant la teneur en MES désirée a la sortie, la nature des matières a retenir et suivant que l'on utilise ou non des réactifs Le temps de contact est fonction de la charge en MES, de leurs caractéristiques de tassement et de la concentration finale recherchée a l'extraction. Il varie généralement entre 1 h et 2h Le rendement d'un débourbeur varie de 50 a 65% sans adjonction de réactif et peu atteindre 75 a 98 % avec une dose adéquate d'agent coagulant ( de l'ordre du tiers de celle déterminée par le JarTest) La réglementation limite souvent l'usage des polyelectrolytes comme adjuvant de floculation a des concentrations inférieures a 1mg/l.
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Débourbage Conception Pour des teneurs en MES de 2 à 10 g/l, en se limitera à un temps de rétention de 1 à 2 heures et à une vitesse ascensionnelle ne dépassant pas 1,5 m/h. Pour les eaux ayant des teneurs en MES comprises entre 10 et 50 g/l, le temps de rétention sera au minimum de 2 heures et la vitesse ascensionnelle ne doit pas dépasser 1 m/h. Pour cette plage de taux en MES, les débourbeurs lamellaires ne seront pas acceptés. Comme les décanteurs, les débourbeurs sont de forme rectangulaire ou circulaire. Il est recommandé que le débourbeur soit implanté à l’amont d’un pompage. Aussi, les débourbeurs n’étant pas utilisés sur toute l’année, en doit prévoir un by-pass de ces ouvrages. Le seuil de concentration de MES dans l’eau brute, à partir duquel le débourbage devient nécessaire, est fonction du type de décanteur utilisé en deuxième clarification. Ce seuil est d’environ 2 g/l en amont de décanteurs non raclés et d’environ 5 g/l en amont d’appareils raclés. 46
Débourbage Dimensionnement Pour les débourbeurs rectangulaires : Soient :
Q le débit d’eau à traiter V la vitesse ascensionnelle moyenne
S débourbeur = Q/V
Pour les débourbeurs circulaires : R = √ (S/R) Il y a lieu de vérifier la double inégalité de Schmidt-Bregars qui est comme suit : 1/8 < H/R < 1/6 Avec
H : hauteur mouillée R : rayon du débourbeur
Si la longueur de la lame de déversement est L, alors le nombre de déversoirs est :
N = 2πR/L
Et le débit par déversoir est déterminé par la formule suivante :
H = (Q/1,42)2/5 47
Préoxydation L'utilisation de l'oxygène de l'air comme oxydant est effectuée depuis très longtemps pour éliminer l'hydrogène sulfureux, ( goûts et odeurs de l'eau), ou encore pour éliminer le CO2 , ce qui peut réduire la demande en réactif lors d'un traitement de correction (agressivité / adoucissement). L'aération est encore utilisée pour éliminer les matières organiques volatiles qui sont à l'état de traces dans l'eau, pour oxyder le fer ou le manganèse.: 4 Fe (HCO3)2 + O2 + 2H2O bicarbonate de fer II
====> 4 Fe(OH)3 + 8 CO2 hydroxyde de fer III
2Mn (HCO)2 + O2 ====> bicarbonate de manganèse
2MnO2 + 4CO2 + 2H2O oxyde manganèse
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Préoxydation
•
Ainsi, le processus d'aération peut-être défini comme étant un procédé d'oxydation physicochimique car il met en jeu des phénomènes physiques de transfert d'oxygène dans l'eau, et des réactions chimiques d'oxydation.
•
Dans une unité de traitement, les techniques d'aération peuvent être simples (aération dans un bassin) ou plus complexes (tour de dégazage ou stripping). Aération par pulvérisation L'efficacité de ce type d'aérateur dépend de la qualité des buses utilisées. La dimension des gouttes peuvent varier de brouillard fin a grosse goutte et dépend du type de buse et de la pression utilisée On utilise généralement des buses d'un diamètre variant de 2,5 a 4 cm a des débits de 18 a 36 m3/h avec une pression de 170 KPa L'espace entre les buses doit permettre une surface d'aération comprise entre 0,03 et 0,09 m2/m3.h
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Préoxydation Aération par pulvérisation
1-Eau à aérer 2-tuyères de pulvérisation 3-collecteur ramifié 4-persiennes de ventilation 5-eau aérée
50
Préoxydation Aération par cascade Ce procède consiste a reproduire en milieu contrôlé l'effet naturel d'aération provoquée par une cascade ou une chute d'eau en rivière. On obtient cette turbulence en faisant couler l'eau sur un plan incliné muni de chicane ou d'obstacles. La diffusion d'air dans l'eau est moins grande que les procédés mentionnés ci-dessus. Ce procédé permet un taux d'enlèvement inférieur a 50%
Aérateur en cascades d’une station de traitement
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Préoxydation Dégazage ou stripping Les tours de stripping sont des tours contenant un garnissage qui va faciliter le transfert d'oxygène Dans l'eau et accélérer les phénomènes d'évacuation des gaz dissous. Ces garnissages sont disponibles en grande variété de matières plastiques, céramiques ou en acier inox.
En pratique, deux types d'aérateurs sont utilisés Exposition de l'eau a l'aire sous forme de gouttelettes ou de minces lames Barbotage d'air sous forme de fines bulles dans l'eau.
Le premier type comprend donc les aérateurs par pulvérisation, par ruissellement et en cascades et le second type les aérateurs par diffusion d'aire
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Préoxydation Aération par diffusion d’air
Ce système est compose d'un bassin dans lequel on insuffle de fines bulles d'aire sous faible pression, généralement a l'aide de plaques poreuses ou de tuyaux perforés recouverts d'une membrane de caoutchouc également perforée. La durée de contacte air/eau est plus élevée que dans le cas des pulvérisateurs et donc plus efficace
Le temps de contacte air/eau dans le bassin est en moyenne de 15 minutes et peuvent varier entre 8 et 30min, Les diffuseurs sont placés entre 3 et 4 m de profondeur , Il faut diffuser entre 0,4 et 1,2 d'air par m3 d'eau traitée.
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Préchloration La préchloration s'effectue normalement sur l'eau brute, répond à de nombreux objectifs et présente de nombreux avantages notamment :
Une oxydation du Fer et du Manganèse , Une décoloration de l'eau, Une amélioration de la décantation, Empêche la prolifération des algues et des micelles leur élimination par coagulation-floculation…..
sur la partie des bassins et permet
Cependant, cette technique présente aussi certain désavantage, les principaux sont : Les dosages élevés utilisés augmente les coûts du traitement , La réaction du chlore avec certains produits présente dans l'eau (MO) provoque la formation de composés complexes appelés Trihalométhanes (THM). Ces produits ne sont pas enlevés par la filière conventionnelle coagulation - floculation - décantation filtration - désinfection - ces composés sont cancérigènes et ne devraient pas se trouver dans une eaux de consommation avec des concentrations supérieures à (60 à 200 μg/l) selon le type de la substance (Bromodichlorométhane, bromoforme, chloroforme, …)
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Préchloration L’utilisation du chlore gazeux n’est, en principe, envisageable que pour les stations qui traitent des débits d’eau brute supérieurs ou égaux à 5 l/s et ce afin d’éviter un approvisionnement fréquent et fastidieux des solutions d’hypochlorite, Pour des débits inférieurs, en propose l’utilisation de l’hypochlorite de sodium ou l’hypochlorite de calcium présentant une teneur de 650 g de chlore actif par Kg de produit commercial. Ce dernier réactif sera injecté sous forme d’une solution qui présentera au maximum 40 g/l de produit commercial, Aussi, en doit veiller au problème induit par la préparation de cette solution ( formation progressive de précipités calcaire en raison de la réaction des bicarbonates de l'eau aérée. A cet effet , en doit proposer un système adéquat pour la préparation de cette solution afin que son aspiration par les pompes doseuses se fasse sans problèmes.
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Préchloration L’utilisation des bouteilles de chlore gazeux de capacité unitaire égale à 50 kg est recommandée pour des débits de production variant de 5 à 10 l/s, Les tanks de capacité unitaire de 500 kg sont recommandés pour des débits de production variant de 10 à 150 l/s. Le débit de soutirage de chlore à partir d’un tel tank ne doit pas dépasser 7 kg/h, Au delà d’un débit d’eau brute de 150 l/s, il faut prévoir des tanks de capacité unitaire de 1000 kg. Le débit de soutirage de chlore à partir d’un tel tank ne doit pas dépasser 14 kg/h, L’emploi de la phase liquide du tank, qui sollicite l’installation d’un évaporateur, est recommandée pour des débits de soutirage dépassant les 40 g/h, L’injection de l’eau chlorée ou de la solution d’hypochlorite se fera à l’aide d’une canne d’injection qui sera immergée dans une bâche d’eau brute, munie de chicanes ou au sein de la conduite d’eau brute, Le temps de contact ( eau brute avec la solution chlorée ) souhaité doit être de l’ordre de 30 minutes avant que l’eau préchlorée atteigne l’ouvrage de coagulation.
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Traitement de l’eau Coagulation - floculation La turbidité et la couleur d’une eau sont principalement causées par des particules de faible dimensions, appelées particules colloïdales. Ces particules qui peuvent rester en suspension dans l’eau durant de très longues périodes, peuvent même traverser un filtre très fin. Pour éliminer ces particules, on a recours aux procédés de coagulation et de floculation. La coagulation a pour but de déstabiliser les particules en suspension c’est-à-dire faciliter leur agglomération. En pratique elle est caractérisée par l’injection et la dispersion rapide de produits chimiques. La floculation a pour objectif de favoriser, à l’aide d’un mélange lent, les contacts entre les particules déstabilisées. Ces particules s’agglutinent pour former un floc qu’on peut facilement éliminer par les procédés de décantation et de filtration.
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Coagulation - floculation Taille des particules en suspension Ф > 1 μm : particules de matières organiques ou inorganiques se déposent facilement, Ф < 1 μm : particules colloïdales se déposent très lentement. Type de particule Gravier Sable grossier Sable fin Glaise Bactérie Colloïdales Colloïdales Colloïdales
Diamètre (mm) 10 1,0 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001
Temps de chute Densité de 2,65
Densité de 2
Densité de 1,1
0,013 s 1,266 s 126,66 s 3,52 h 14,65 j 4,12 ans 412,2 ans 41 222,7 ans
0,02 s 2,09 s 3,48 min 5,80 h 24,19 j 6,66 ans 665,9 ans 66 590 ans
0,20 s 20,90 s 34,83 min 58,0 h 241,9 j 66,59 ans 6 659 ans 665 905 ans
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Coagulation - floculation Charges électriques et double couche 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 positifs en solution dans l’eau, lesquels adhèrent fortement à la particule et attirent à leur tour des ions négatifs accompagnés d’une faible quantité d’ions positifs
Il est évident que la stratégie d’élimination des colloïdes passe par l’annulation du potentiel zêta (ξ). En effet, la neutralisation des charges primaires permet d’annuler les forces de répulsion.
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Coagulation - floculation Principe Les substances indésirables les plus difficiles à éliminer dans les eaux naturelles sont celles qui possèdent une très petite taille (particules colloïdales causant la turbidité) et celles qui sont dissoutes (matières organiques causant la coloration de l'eau et la formation des trihalométhanes (THM)) Ces substances portent habituellement une charge électrique négative qui empêche les particules de s'agglomérer les unes aux autres pour former des particules plus volumineuses (flocs) et faciliter leur enlèvement par sédimentation et filtration, Le but de la coagulation est donc de neutraliser les charges de ces substances afin de favoriser la formation d'un agglomérat. Pour ce faire, on introduit habituellement dans l'eau un produit chimique chargé positivement nommé « coagulant » (sels d'aluminium ou de fer, polymères ou l’équivalent) L’injection d’un coagulant doit se faire à un endroit où l'agitation est très violente afin qu’il se disperse rapidement dans l'eau brute. La réaction du coagulant se fait en moins de 1 à 10 s en eau chaude, mais peut être passablement ralentie en eau froide (< 4°C).
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Coagulation - floculation Mécanisme La neutralisation des charges conduit à l'agglomération des particules colloïdales entre elles. Pour les substances organiques dissoutes, elle provoque la formation d'un sel nommé humate d'aluminium ou de fer, selon le coagulant employé. Il s'agit, dans ce cas, d'un mécanisme de coagulation associé à une relation stœchiométrique entre le coagulant et les substances à éliminer. Ce mécanisme de coagulation ne se rencontre qu'à pH acide (< 5,5) où les espèces dominantes du coagulant sont chargées positivement , Le piégeage et l'adsorption sur des flocs amorphes d'aluminium ou de fer (coagulation par entraînement) Dans ce cas de coagulation par entraînement, les particules colloïdales ainsi que la matière organique dissoute s'adsorberont en surface. Il s'agit d'un procédé très efficace pour l'enlèvement de la turbidité, mais beaucoup moins pour la matière organique dissoute. Parce qu'il fait intervenir des flocs amorphes de coagulant, le pH de coagulation est moins important Le pH de coagulation, et le dosage de coagulant dans une moindre proportion, est donc très important dans le choix du mécanisme de coagulation. L'ajout d'agent alcalin ou acide devra souvent être envisagé pour ce faire.
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Coagulation - floculation Stratégies théoriques possibles pour annuler le potentiel zêta Ajustement du pH pour atteindre le point isoélectrique des groupements fonctionnels portés par les colloïdes, augmentation de la salinité pour obtenir une compression de la couche diffuse, neutralisation chimique de la charge primaire par des cations polyvalents ou polymères, piégeage dans des précipités de type (Al(OH)3 ou Fe(OH)3, adsorption et pontage par des polymères chargés à longue chaine.
Au niveau industriel, les deux premières possibilités ne sont pas applicables.
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Coagulation - floculation Réactifs utilisés L’efficacité des coagulants est directement liée à la valence des cations utilisés. Les ions monovalents sont moins efficaces que les bi ou trivalents. La mise en solution d’un coagulant se déroule en deux étapes. Le cas du sulfate d’alumine est très significatif. Les réactions peuvent être représentés de la façon suivante : Al2(SO4)3 ==========> Alx(OH)y(SO4)z étape 1
intermédiaires polychargés
==========> étape 2
Al(OH)3 précipité
L’étape 1 est une phase d’hydrolyse. Des intermédiaires polychargés positifs se forment. Cette étape dépend de la température et nécessite un pH compatible avec l’existence de de ces intermédiaires polychargés. Le temps de formation de ces composés est de l’ordre de 0,1 s. L’étape 2 permet la formation du précipité. Cette réaction dépend de l’agitation du milieu. 63
Coagulation - floculation Optimisation des réactifs : La coagulation et la floculation sont des phénomènes complexes, influencés par de nombreux paramètres : qualité des eaux (caractéristiques physico-chimiques des eaux brutes) nature et structure des colloïdes, nature et mise en œuvre des produits utilisés, aussi la méthode la plus sûre et la plus rationnelle, pour déterminer dans chaque cas la nature et quantité de réactif à utiliser, s'appuiera sur l'expérimentation. La méthode qui reproduit à petite échelle l'ensemble du processus de coagulation-floculation est celle dite du JAR-TEST, utilisé en laboratoire. Dans l’objectif d’une optimisation de réactif (qui doit également tenir compte des considérations économiques), l'expérience au laboratoire doit être secondée par l'essai de floculation (JAR-TEST), et éventuellement par la mise en œuvre d'un pilote de traitement qui sont des auxiliaires précieux.
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Coagulation - floculation Choix du coagulant Un certain nombre de paramètres doivent être pris en compte:
Température de l'eau,
Caractéristiques des eaux brutes (dont l'équilibre calco-carbonique),
Paramètres physico-chimiques à inclure ou éliminer prioritairement (turbidité et/ou Matières Organiques, par exemple),
Gestion de l'exploitation (stocks, automatisme, etc...),
Coût du produit,
Choix imposé ou "considération esthétique".
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Coagulation - floculation Conditions d’application La coagulation est toujours effectuée à la première étape du traitement, précédant ainsi la
floculation/décantation/filtration ou la filtration directe, Des dosages de coagulant (supérieurs à 15 mg/l) sont difficilement applicables en
filtration
directe
et
nécessitent
habituellement
l'utilisation
d'une
décantation
préalablement à la filtration pour éviter les colmatages rapides et excessifs des filtres.
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Coagulation - floculation Technologie Il faut associer dans un temps assez court, deux phases distinctes et incompatibles. En effet, les conditions de mise en œuvre de la coagulation sont différentes de celles de la floculation. On distingue les deux phases suivantes : 1ière phase : mélange rapide et vigoureux, 2ième phase : mélange lent Un mélange rapide est nécessaire pour disperser les aditifs dans la totalité du volume d’eau à traiter. La phase lente favorise les contacts entre les particules de flocs sans les léser.
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Coagulation - floculation Critères de conception La coagulation se fait soit dans un bassin de coagulation ou directement dans la conduite
d'eau brute avec un mélangeur statique, D'autres aménagements sont également possibles, mais beaucoup moins populaires. Le bassin de coagulation, aussi appelé bassin de mélange rapide, est habituellement de
forme cubique ou cylindrique.
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Coagulation - floculation Bassin de coagulation Le volume de cet ouvrage doit assurer un temps de rétention de l’ordre de 2 minutes (temps de séjour de l’eau brute dans l’ouvrage) La vitesse de transfert des eaux floculées vers les ouvrages de décantation ne doit pas dépasser 0,3 m/s, Lors de la conception, les éléments suivants doivent notamment être considérés : L'entrée d'eau brute ne doit pas être dirigée directement sur l'arbre ou l'hélice de l'agitateur ; Le ratio diamètre/profondeur d'eau doit être optimisé ; L'entrée et la sortie doivent être disposées de manière à éviter les court-circuits hydrauliques. L'addition de produits chimiques autres que ceux servant à la coagulation (chaux, soude caustique, acide, etc.) doit être réalisée à une distance raisonnable avant le point d'ajout de coagulant. Cette distance doit être validée par un jar test, Une conduite de vidange du bassin doit être prévue, Une correction préalable du pH et de l'alcalinité de l'eau peut être requise.
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Coagulation - floculation Mélangeur statique Le mélangeur statique peut être utilisé lorsque le mode de coagulation principal se fait par neutralisation des charges (le temps de réaction du coagulant est court, soit de l’ordre de 0,5 à 1,0 s) et lorsque le débit d'eau brute ne varie pas (l'énergie de mélange varie avec le débit). Le nombre d'éléments de mélange intérieur doit être choisi en fonction du débit et des produits chimiques injectés. Ces éléments doivent être amovibles pour des raisons d'entretien. L'injection du coagulant doit se faire de préférence directement dans le mélangeur statique.
Chambre de mélange avec agitateur rapide. 1- Entrée d’eau. 2- Sortie d’eau. 3- Réactif. 4- Vidange
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Coagulation - floculation Dimensionnement L’ouvrage de coagulation sera dimensionné suivant le temps de mélange adopté. Si : t1 est le temps de contact Q est et le débit le volume requis est : V = Q.t1
Chaque coagulateur est équipé d’un agitateur rapide à hélice qui devra assurer un gradient de vitesse compris entre 400 et 1000 s-1 en vue d’assurer le mélange eau-réactifs. La puissance d’agitation dissipée est donné par : G = K√P/V Avec P : puissance d’agitation dissipée en watt
K : coefficient fonction du liquide (eau à 20 °C, k = 31,5) V : volume en m3 occupé par le fluide 71
Coagulation - floculation Exemple d’installation de coagulation
Bassin de mélange rapide
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Coagulation - floculation Floculation Après avoir été déstabilisées par le coagulant, les particules colloïdales s’agglomèrent lorsqu’elles entrent en contact. C’est la floculation. Le floc ainsi formé, peut décanter, flotter ou filtrer, suivant le procédé de rétention le plus adapté choisi. principe : La floculation est habituellement l’étape de traitement qui suit la coagulation, Elle vise à favoriser la formation et la croissance de flocs par une agitation lente et
prolongée de l'eau, provenant des bassins de coagulation, Elle implique habituellement l'ajout d'un floculant.
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Coagulation - floculation Floculation Conditions d'application La floculation est nécessaire avant toute étape de clarification et peut être aussi
utilisée avant une filtration directe dans le cas où le dosage requis est faible.
1 - Arrivée d'eau à décanter
6 - Modules lamellaires
2 - Injection des réactifs
7 - Tubes de reprise d'eau décantée
3 - Zone de mélange rapide
8 - Sortie d'eau décantée
4 - Zone de coagulation/floculation
9 - Système de reprise des boues
5 - Admission en décantation
10- Évacuation des boues
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Coagulation - floculation Floculation Critères de conception Dans certains procédés de décantation brevetés (tels que la décantation à lit de boues pulsé, la décantation à recirculation interne de boues, la décantation lamellaire à recirculation externe de boues et à épaississement intégré, la décantation lamellaire à floc lesté, etc.), la floculation est intégrée à même le procédé de décantation. Dans d'autres cas, elle est faite séparément. En tout temps, le bassin, le système d'agitation là où requis et les équipements connexes doivent être conçus pour : Assurer une bonne distribution de l'eau ; Éviter le bris du floc (vitesse d'extrémité de pale inférieure à 0,6 et à 1,2 m/s
respectivement pour un floc fragile et un floc fort) ; Prévenir le court-circuitage ; Assurer le temps nécessaire pour la floculation (de 6 à 30 min au débit de conception (habituellement le débit journalier maximum)) ; 75
Coagulation - floculation Floculation Critères de conception Éviter la déposition du floc dans le bassin (G > 10 s-1), La profondeur du bassin ne devrait pas excéder cinq mètres en raison des courants instables
parfois induits dans le bassin au-delà de cette profondeur, Des déflecteurs peuvent être utilisés pour améliorer l'efficacité du mélange. Le cas échéant, ils
pénétreront de 1/8 à 1/12 la largeur du bassin, Le temps de rétention varie selon la technologie et le conditionnement utilisés. Lorsqu' aucun
floculant n'est utilisé, le temps de floculation doit être de 30 min ; lorsqu'un floculant est utilisé, le temps de floculation est habituellement réduit de moitié ; et lorsqu'un floculant et un microsable sont utilisés, le temps de floculation peut être abaissé jusqu'à 6 min, Une floculation trop longue conduit à la destruction progressive du floc.
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Coagulation - floculation Floculation Paramètres influençant la floculation •
pH
Il existe un pH de floculation optimum pour un type d'eau et un floculant donné : Il peut être nécessaire, pour obtenir une floculation correcte, d'ajuster le pH de l'eau en y ajoutant soit un acide, soit une base (soude, chaux, carbonate de sodium). La nature de la couleur et de la turbidité et leur proportion relative dans l'eau brute
Les particules de grande taille et de nature généralement minérale (argiles) constituent la turbidité, Les petites particules et certains composés solubles de nature généralement organique sont responsables de la couleur, La floculation des acides humiques exige des doses élevées de coagulant approximativement proportionnelles à leur concentration dans l'eau, Au contraire, les colloïdes minéraux sont facilement floculés par de faibles doses de coagulant, sans rapport avec l'intensité de la turbidité. 77
Coagulation - floculation Floculation Paramètres influençant la floculation
•
La température :
Comme toute réaction chimique, la floculation est accélérée par l'élévation de température. La floculation des eaux froides est donc plus lente et moins complète que celle des eaux chaudes, D'autre part, la rapide augmentation de la viscosité de l'eau lorsque la température s'abaisse (la valeur de la viscosité passe de 1 à 2 entre 25 et Le temps de séjour de l'eau dans les bassins de floculation dépend de sa température. Plus celle-ci sera élevée, moins le temps de floculation sera long. Le gradient de vitesse est l'un des paramètres agissant sur la probabilité de rencontre des particules dans le processus de floculation. Il dépend de la viscosité dynamique de l'eau et donc de sa température.
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Coagulation - floculation Floculation Critères de conception Si : t2 est le temps de contact requis par la floculation Q est le débit
Alors le volume du floculateur est : V = Q.t2 Pour favoriser l’agglomération des flocs crées par la coagulation, les ouvrages de floculation sont équipés des agitateurs lents où est injecté l’adjuvant de floculation (polyélectrolyte, alginate,etc…) Le gradient de vitesse à garantir est compris entre 25 et 50s-1. La puissance d’agitation dissipée est donnée par :
G = K √ P/V
Avec P : puissance d’agitation dissipée en watt K : coefficient fonction du liquide (eau à 20 °C, k = 31,5) V : volume en m3 occupé par le fluide 79
Traitement de l’eau Décantation C’est le procédé qui permet la séparation physique des particules en suspension susceptibles de décanter par gravité.
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Traitement de l’eau Décantation Principe
La décantation a pour but de : déposer le floc décantable, réduire au minimum la concentration de matières en suspension qu'il faudra enlever par filtration. L’eau qui entre dans un décanteur continu ne le traverse pas en écoulement homogène mais plutôt irrégulier ; L'état d'un bassin en écoulement continu est donc très différent d'un bac de sédimentation calme; l'objectif est de réaliser des conditions telles, que l'écoulement soit aussi uniforme que possible pendant une période assez longue pour permettre le dépôt de la plus grande quantité de matières solides décantables, avant que l'eau ne parvienne à l'orifice de sortie ; On distingue deux types de matières décantables Les particules grenues (granulaire) qui se sédimentent indépendamment les unes des autres, avec une vitesse de chute constante, Les particules plus ou moins floculées qui résultent d'une agglomération naturelle ou provoquée des matières colloïdales en suspension. 81
Traitement de l’eau Décantation Il est important de signaler que, la vitesse de décantation d'une particule discrète ou diffuse, est fonction des forces de traînée, qui s'opposent aux forces de gravité. Elles dépendent de la viscosité de l'eau et donc de sa température. Suivant la loi de Stokes la vitesse de décantation d'une particule est inversement proportionnelle à la viscosité dynamique :
Les variations de la température de l'eau entre les différentes zones d'un ouvrage peuvent entraîner des courants de densité qui dirigent l'eau vers la surface (T↑ d↓) ou vers le fond (T↓ d↑). Il en résulte des temps de séjour réels dans les bassins éminemment variables. Le rendement de la décantation dépend du type de l'écoulement dans les ouvrages.
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Traitement de l’eau Décantation Critères de conception
La décantation et les étapes de traitement qui la précèdent sont toujours dimensionnées sur
la base du débit nominal de conception pour répondre au débit journalier maximum d'eau potable de l'année de conception retenue. Il faut donc considérer les pertes d'eau reliées aux lavages des filtres ainsi qu’aux purges de
boues des décanteurs et les inclure dans le débit nominal de conception. À l’exception des très petites installations, au moins deux unités de décantation sont
requises pour assurer un fonctionnement continu sans interruption de service. Il faut également concevoir le décanteur en pensant à un agrandissement futur des
installations de traitement.
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Décantation Les décanteurs Les décanteurs statiques sans raclage Décanteurs cylindro-coniques ordinaires Ce décanteur, à flux vertical, est utilisé pour les installations de petit débit, jusqu'à 20 m3/h, La pente de la partie conique de l'appareil sera comprise entre 45 et 65°, suivant la nature des eaux traitées et le traitement appliqué. La vitesse ascensionnelle moyenne sera de 0,5 à 1 m/h dans le cas de la clarification des eaux de consommation.
1- Eau brute. 2 - Eau traitée 3 - Vidange. Figure. Décanteur cylindro-conique.
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Les décanteurs Décanteurs a circulation de boues
Ces décanteurs comportent une zone centrale de réaction entourée d'une zone de décantation.
Ces deux zones communiquent par le haut et par le bas. Une turbine située à la partie supérieure de la zone de réaction fait circuler l'eau vers la zone de décantation.
Les boues qui se déposent dans cette dernière reviennent par circulation induite dans la zone centrale. L'enrichissement en boue qui en résulte permet une floculation rapide et la formation d'un précipité dense.
Éventuellement, un agitateur de fond assure un mélange rapide de l'eau brute avec la boue et les réactifs. Il évite en outre l'accumulation des dépôts lourds susceptibles de boucher l'appareil.
Une ou plusieurs fosses à boues permettent d'extraire les boues en excès, sous une forme aussi concentrée que possible. Certains appareils peuvent comporter un racleur à la partie inférieure de l'appareil. Ce racleur permet un épaississement des boues qui sont dirigées vers les fosses à boues, situées au niveau du radier d'où elles seront extraites.
1 - Arrivée de l'eau brute
6 - Zone de mélange secondaire
2 - Départ de l'eau décantée
7 - Eau clarifiée
3 - Groupe d'entraînement
8 - Recirculation des boues
4 - Turbine
9 - Concentrateurs de boues
5 - Zone de mélange primaire
10 - Boues en excès évacuées
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Décanteurs a lits de boues pulses Le procédé le plus économique pour effectuer cette opération consiste à :
introduire l'eau brute dans une cloche (6)
à l'intérieur de laquelle on aspire l'air à l'aide d'une machine aspiratrice (7) déplaçant un débit d'air sensiblement égal à la moitié du débit maximal d'eau à traiter. Cette cloche est mise en communication avec le collecteur inférieur du décanteur. Dans ces conditions, le niveau de l'eau brute monte progressivement dans la cloche.
Lorsqu'il a atteint une valeur comprise entre 0,60 m et 1,00 m au-dessus du niveau de l'eau dans le décanteur, un relais électrique commande l'ouverture brusque d'une vanne (8) de mise en communication de la cloche avec l'atmosphère. La pression atmosphérique s'applique donc immédiatement sur l'eau stockée dans la cloche, qui pénètre dans le décanteur avec une grande vitesse. Le lit de boue est donc soumis à des mouvements alternatifs, vers le bas pendant la chasse et vers le haut pendant le remplissage, ce qui favorise sa cohésion. 86
Décanteurs lamellaire Dans tous les types de décantation, des améliorations ont été recherchées et ont porté : sur la réduction de la surface au sol des ouvrages, sur les améliorations d'ordre technologique permettant de se rapprocher de la vitesse théorique . Les paramètres les plus importants pour le dimensionnement d’un décanteur lamellaire sont : – angle d'inclinaison (A) des plaques pour assurer l'écoulement des boues sous l'effet de la gravité, – vitesse de Hazen réelle (Q/Sp), – écartement (e) des plaques ou diamètre des tubes pour favoriser l'établissement d'un régime laminaire. – longueur (L) des plaques, – vitesse dans la zone d'alimentation en flocs, – Les lamelles sont constituées de plaques (souvent en PVC à profil trapézoïdal). (Sp : surface projeté de la lamelle)
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Décanteurs lamellaire – L'écartement et la longueur des plaques est définie de manière à optimiser la rétention des flocs. – L'équirépartition de l'eau s'effectue par prélèvement de l'eau décantée dans des tubes munis d'orifices calibrés. Ceci permet une bonne équirépartition du flux hydraulique sur la totalité de la section du décanteur. Les boues captées par les lamelles glissent vers le bas et sont recueillis à la base de l'ouvrage et extraites périodiquement dans des trémies ou par un racleur. – Cet appareil conserve les avantages de simplicité du décanteur couloir. II comporte très peu d'appareillage électromécanique ce qui en fait un appareil idéal pour les petites installations ou les usines situées dans les pays peu industrialisés. Le décanteur lamellaire présente les avantages suivants : la compacité par rapports aux décanteurs statiques conventionnels qui conduits à des économies importantes de place et de coût, l'efficacité qui résulte de l'accroissement de la surface de décantation, la fiabilité qui est induite par la simplicité du décanteur, simplicité de réalisation et d'exploitation puisqu'il ne comporte aucun équipement mobile immergé. 88
Décanteurs lamellaire Schéma de principe : MULTIFLO® (brevet OTV)
1 - Arrivée d'eau à décanter
6 - Modules lamellaires
2 - Injection des réactifs
7 - Tubes de reprise d'eau décantée
3 - Zone de mélange rapide
8 - Sortie d'eau décantée
4 - Zone de coagulation/floculation
9 - Système de reprise des boues
5 - Admission en décantation
10- Évacuation des boues 89
Décanteurs lamellaires a lits de boues pulses.
Dérivé du décanteur Pulsator Degremont, mais avec des possibilités accrues, l'alimentation en eau brute de l'appareil s'effectue pratiquement de manière identique (avec injection des réactifs coagulants et des adjuvants de floculation).
L'eau floculée, équirépartie par le réseau de distribution, pénètre ensuite dans le réseau de plaques parallèles inclinées sur l'horizontale et perpendiculaires au concentrateur. La face inférieure de chaque plaque est équipés de déflecteurs qui servent à la fois de supports et d'organes créateurs de mouvements tourbillonnaires.
Comme dans le Pulsator le niveau supérieur du lit de boues est limité par son déversement dans la zone du concentrateur où ne s'exerce aucune poussée due à la vitesse ascensionnelle et la reprise d'eau décantée est réalisée par un réseau de collecteurs. 90
Décanteurs lamellaires a lits de boues pulses. PULSATUB
Le Pulsator® réalise les étapes de coagulation et de floculation dans un même ouvrage. Optimisé avec des modules lamellaires dans la partie supérieure et ou des plaques dans le lit de boues dans les versions Pulsatube® et Ultrapulsator®, il peut jusqu’à doubler ses vitesses de fonctionnement et s’adapter à des eaux très froides. Grâce à son lit de boues, il optimise le contact du charbon actif en poudre pour éliminer plus efficacement les pesticides et les matières organiques.
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Équipements pour décanteur lamellaire :
L'équipement du décanteur lamellaire est constitué : d'éléments tubulaires thermoformés à partir de plaques de polystyrène ou d'ABS assemblées
par rivets plastiques ; des renforts intégrés à la structure évitent les problèmes classiques d'écrasement des lamelles lors des vidanges, d'un supportage constitué d'un ensemble de profilés et de crémaillères inférieures maintenant l'écartement des tubes, d'un module de lavage, des goulottes de récupération profilées.
Caractéristiques techniques :
gamme de débit de 20 à 10 000 m3/h, dimensions maximales : 20 m de diamètre ou 19 x 24 m, réduction d'emprise d'un facteur 10 par rapport à un décanteur classique, lavage des lamelles sans vidange du décanteur.
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Exemple d’installation de décanteur lamellaire :
Décanteur laméllaire : Station de traitement d’El Hoceima Débit :440 l/s Type : Multiflo lamellaire ; Longueur : 12,5 m ; Largueur : 8,50 m ; Capacité: 800 m3/h ; Vitesse de décantation : 0,80 m/h ; 93
Traitement de l’eau Filtration La chaîne de traitement se termine donc dans la grande majorité des cas par un filtre, ou plus exactement par une batterie de plusieurs filtres, Le but de la filtration est d'opérer la séparation la plus complète possible entre l'eau et différentes sortes de particules en suspension. Les filières de traitement incorporant une filtration peuvent être de type :
Filtration physico-chimique : Les filtres de type physico-chimique sont, encore de nos jours, les plus utilisés en traitement de l’eau potable. Par définition, ils doivent être précédés d’une coagulation. La filière de traitement conventionnelle, qui inclut une coagulation, une floculation, une décantation et une filtration est la filière la plus populaire en raison du vaste éventail de qualité d’eau brute qu’elle peut traiter. Filtration physique : Les filtres de ce type font intervenir des processus de traitement purement physiques tels que le tamisage et l’adsorption des particules en suspension dans l’eau, sans nécessiter de pré-traitement chimique. Pour cette raison, la qualité de l’eau brute doit être excellente. Plus spécifiquement, il s’agit de la filtration sur précouche. 94
Filtration Filtration biologique : Les filtres biologiques font intervenir l’activité microbienne comme processus de traitement principal. Le milieu filtrant sert alors de support pour le développement de cette biomasse. Cette dernière sécrète des diastases favorisant l’action coagulante sur l’eau. La qualité physique de l’eau appliquée sur ces filtres (turbidité et couleur vraie) doit être relativement bonne pour que leur rendement soit acceptable. La filtration biologique permet cependant de gérer des contaminants que les autres filtres ne peuvent enlever (carbone organique assimilable (COA) et autres composés biodégradables). Dans ce cas, la masse filtrante ne limite pas son rôle à celui d'un tamis vis-à-vis des matières en suspension, mais se comporte comme un support permettant l'accrochage et le développement de biomasse active. C'est grâce à cette propriété des filtres que sont possibles des traitements tels que :
déferrisation et la démanganisation biologiques nitrification de l'azote ammoniacal, dénitrification, l'assimilation de carbone organique biodégradable.
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Filtration Filtration par adsorption : Ce type de filtration utilise le processus d’adsorption et s’adresse principalement aux
substances dissoutes. Le filtre à charbon actif granulaire est le seul procédé de cette catégorie. Il s’agit d’un traitement de polissage qui peut parfois être intégré à une filière physico-chimique (remplacement de l’anthracite d’un filtre bicouche par du charbon actif granulaire). Pour le traitement d'eau de surface, seuls les filtres gravitaires (ouverts) sont acceptés. En complément de sa fonction principale de séparation, ou clarification, la filtration permet également de réaliser des traitements de nature biologique.
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Type de système de filtration 1-Filtration conventionnelle. La filtration dite conventionnelle est l'étape finale d'un traitement élaboré de clarification comprenant: une coagulation, une floculation et une étape de séparation de flocs (décantation, flottation, préfiltration)
2-Filtration directe : On parle de filtration directe lorsque le traitement réalisé en amont de la filtration ne comprend pas d'étape de séparation de flocs.
3-Filtration en ligne ("in line filtration" ou "contact filtration"). Dans le cas de la filtration en ligne, le prétraitement se résume à une coagulation, la floculation se déroulant directement dans le filtre ou dans un ouvrage de contact intermédiaire. 97
Type de filtration Il y a différents types de filtres, en fonction des performances qu'ils peuvent réaliser c'est-à-dire, précisément : de la vitesse de filtration, exprimé par le quotient du débit (Q) sur la surface de la masse filtrante (Sf), soit V(m/h) = Q(m3/h) / Sf(m²), des pertes de charge (perte d'energie potentielle se traduisant par une différence de niveau d'eau) qu'ils occasionnent, du cycle de filtration (durée de fonctionnement entre deux opérations de lavage). 1-Filtres ouverts : Un filtre de ce type est constitué le plus généralement d'un bassin rectangulaire en béton armé
divisé en deux compartiments horizontaux par un faux-plancher situé à quelques décimètres audessus du radier. Un matériau filtrant (le plus souvent du sable) est déposé sur ce faux-plancher et constitue un lit dont l'épaisseur est de l'ordre de 1 m, (de 0,80, à 1,20m). L'eau décantée est admise au-dessus du lit filtrant, traverse celui-ci de haut en bas, traverse également le faux-plancher qui comporte les dispositifs nécessaires à cet effet, et pénètre dans le faux fond (entre faux-plancher et radier) d'où, filtrée et débarrassée de ses impuretés les plus fines, elle est évacuée à l'extérieur.
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Type de filtration
Filtre ouvert
Aquazur V
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Type de filtration
Aquazur V
Gamme de performance - Vitesse de filtration entre 6 et 8 m/h - vitesse d’eau de lavage de 14m3/m2/h
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Type de filtration Filtre ouvert à granulométrie uniforme L'utilisation de ces filtres, qui semblent s'apparenter de prime abord aux filtres à sable conventionnels, mais qui en diffèrent sur plusieurs points, exige comme pré-traitement une décantation dynamique Ces filtres se caractérisent par : Une hauteur de média filtrant (sable) comprise entre 900 et 1200 mm ; Une taille effective du matériau filtrant (sable) entre 0,7 et 0,9 mm avec un coefficient uniformité inférieur à 1,5 ; Un taux de filtration permis de 7,5 m³/m²/h de surface filtrante ; Une tête d'eau au-dessus du matériau filtrant de 1 m ou plus ; Un lavage à contre-courant air et eau simultanément, qui est obligatoire compte tenu de la dimension grossière et de la densité du média filtrant.
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Type de filtration Filtres bicouches
Ces filtres plus compacts que les précédents (taux de filtration supérieur) tout en demeurant efficaces. En raison de sa forte granulométrie, l’anthracite confère à ce type de filtre une bonne capacité de stockage pour les substances enlevées (réduit le taux d’augmentation de la perte de charge par rapport au filtre à sable conventionnel), tandis que le sable (de plus faible granulométrie) permet de maintenir une bonne qualité de filtrat. Ils se caractérisent par : Un matériau filtrant composé de deux couches de matériaux différents : le sable et l’anthracite ; Une hauteur de média filtrant composée de 150 à 300 mm de sable au-dessus duquel se trouve de 450 à 600 mm d'anthracite, l'épaisseur totale du média filtrant ne devant pas être inférieure à 750 mm ; Une taille effective de : o 0,4 à 0,6 mm pour le sable, avec un coefficient d'uniformité inférieur à 1,5 ; o 0,9 à 1,1 mm pour l'anthracite, avec un coefficient d'uniformité inférieur à 1,5. Un taux de filtration permis de 10 m³/m²/h de surface filtrante ; Une tête d'eau au-dessus du lit filtrant de 1 m ou plus ; Un lavage à contre-courant à l'air seul, puis ensuite à l'eau seule, ou bien un lavage à contre courant à l’eau avec un lavage de surface. 102
Type de filtration Filtres multicouches Ces filtres sont caractérisés par une couche d’ilménite, dont la granulométrie est plus fine que
celle du sable, permet d’augmenter plus facilement la qualité du filtrat que pour les filtres bicouches. Ils se caractérisent par : Un matériau filtrant composé de trois couches de matériaux différents tels que grenat (ou ilménite), sable et anthracite. La densité de ces matériaux est décroissante afin d’assurer un reclassement automatique des médias lors des lavage à contre-courant ; Une hauteur de média filtrant composée de : au moins 100 mm de grenat (ou d'ilmenite) ; au moins 230 mm de sable ; au moins 450 mm d'anthracite. Une taille effective des matériaux filtrants de : grenat : 0,2 à 0,32 mm ; ilménite : 0,15 mm ; sable : 0,45 mm, avec coefficient d'uniformité inférieur à 1,5 ; anthracite : 0,9 mm, Un taux de filtration permis de 10 m³/m²/h de surface filtrante ; Une tête d'eau au-dessus du lit filtrant de 1 m ou plus ; Un lavage à contre-courant à l'air seul, puis ensuite à l'eau seule, ou bien à contre-courant de l’eau et avec un lavage de surface. 103
Type de filtration Filtres sous pression Les filtres de ce type sont en cuves fermées, cylindres, horizontaux ou verticaux, suivant les surfaces de filtration désirées, et fonctionnant sous pression. Dans ces filtres fermés, les dispositifs de régulation sont adaptés à leur mode de fonctionnement, et les planchers filtrants souvent remplacés par des raquettes perforées, munies elles-mêmes de buselures ou simplement noyées dans du gravier.
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Filtration Critères de conception des filtres : La filtration sera monocouche, et sur sable homogène, dont la granulométrie sera choisie dans l’intervalle : 0,5 - 1,5 mm . Le coefficient d’uniformité du sable ne doit pas dépasser la valeur de 1,6. La couche de sable aura une épaisseur comprise entre 0,8 et 1,2m. Le niveau normal du sable doit être repéré en quatre endroits du filtre par des repères en acier inoxydable, scellés et peints. la perte annuelle de sable ne dépasse pas 2%. Les filtres doivent être tous identiques et alignés sur une seule file. Ils seront du type extérieur, sans couverture, avec des passerelles de service, et garde-corps amovibles en acier galvanisé. La filtration sera à courant descendant, à équi-réparation de débit en amont, et à niveau constant. L’alimentation des filtres sera assurée par un canal collectant les eaux décantées émanant de tous les décanteurs. La mise en service d’un filtre doit être indépendante de la file de décanteurs ( ou du décanteur ) qui est en exploitation. La Vitesse de filtration doit être ≤ 7m/h et celle durant le lavage d’un filtre ne doit pas dépasser 9, 50 m/h.
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Filtration Critères de conception des filtres : La durée maximum d’un cycle de filtration ne dépassera pas 24 heures. Dans le cas de l'utilisation de buselures, celles-ci doivent être composées d'un matériau inerte et être installées uniformément dans le faux-plancher à raison d'environ 55 buselures/m² de façon à s'assurer d'une bonne répartition. En tout temps, les fentes des têtes des buselures doivent être plus petites que la taille des grains du matériau filtrant et cumuler au moins 0,3% de la superficie totale du filtre. Dans le cas de l'utilisation de fonds en gravier, encore utilisés dans certaines usines existantes mais rarement dans des neuves, la section totale des latéraux doit être égale à deux fois celle des passoires. La section du collecteur principal doit être de 1,5 à 2,0 fois celle des latéraux.
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Filtration Lavage des filtres (décolmatage) L’opération de lavage des filtres devra être enclenchée selon les deux options suivantes : Manuelle, où toutes les séquences seront démarées manuellement ( par des boutons poussoirs ); semi-automatique, où le cycle de lavage ( différentes séquences ) se déroulera selon un programme pré-réglé et ajustable (automate programmable pouvant être commun à l’ensemble des filtres). L’eau filtrée présentera une turbidité ≤ 0,5 NTU. Le lavage des filtres est toujours assuré en flux ascendant à l'aide d'un fluide à la fois ou de deux fluides simultanément. Figure. Filtre AQUAZUR. Phase de lavage air et eau.
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Filtration Lavage des filtres (décolmatage) Les différentes procédures habituelles d'un lavage peuvent être : 1ère phase : détassage, Injection d'air à contre courant, dans le but de détasser le lit de matériau qui s'est progressivement compacté au cours du cycle de filtration. 2ème phase : lavage, Lavage à contre-courants simultanés d'air et d'eau filtrée. Pendant cette phase, les forces de cisaillement exercées sur les dépôts, conjuguées aux frottements des grains entre eux, permettent de décoller les particules ayant adhéré aux grains au cours du cycle de filtration. 3ème phase : rinçage, Injection d'eau seule, à une vitesse supérieure à celle de la phase de lavage. Cette phase de rinçage a pour objet d'entraîner hors de la masse filtrante les matières en suspension décrochées lors de la phase de lavage air + eau. Le lavage d'un filtre à sable selon cette technique (air + eau) nécessite au total un volume d'eau de lavage d'environ 4 m3/m2 de surface filtrante. Dans ces conditions, à raison d'un lavage par filtre et par 24 heures, la perte en eau due au lavage s'élèvera à environ 3 % de la production. 108
Filtration Équipements requis sur chaque filtre Les équipements suivants sont exigés pour chaque filtre : Un débitmètre (débitmètre magnétique suggéré) mesurant le débit d'eau filtrée et dont les mesures sont transmises à un système de contrôle ; Une jauge de pertes de charge ; Un système de contrôle de débit à la sortie de chaque filtre maintenant le débit désiré quel que soit le niveau d'encrassement du filtre (p. ex., un vanne papillon modulante pouvant s'ajuster automatiquement au débit présélectionné ou au débit préprogrammé correspondant à un niveau d'eau du réservoir) ; Une prise d’échantillonnage d’eau filtrée (avant l'ajout possible d'autres produits chimiques en fin de traitement afin de permettre une mesure adéquate de la turbidité de l'eau filtrée avant tout ajout) ; La tuyauterie nécessaire pour la pré-filtration à l’égout domestique ; Chaque filtre incluant son système de lavage devrait être en mesure d’opérer de façon indépendante. Le volume d'eau de lavage utilisé doit pouvoir être mesuré ; Un turbidimètre avec alarme (un enregistrement de la turbidité avec une valeur enregistrée aux 4 heures est un minimum exigé, mais l’idéal demeure d’enregistrer la turbidité en continu et d’en extraire une valeur à toutes les 4 heures) ; Il faut également éviter, en tout temps, les sur-débits sur l'un des filtres. 109
Filtration Dimensionnement des filtres surface de filtration Pour une vitesse V de filtration adoptée et un débit Q, la surface de filtration requise est :
Sf = Q/V Pompes de lavage : Soit V1 la vitesse de lavage ⇒ Débit de lavage :
q1 = V1 x Sf
Si V2 est la vitesse lors du soufflage d’air Alors le débit devient : q 2 = V2 x Sf Surpresseurs d’air : Soit V3 la vitesse de l’air adoptée Alors le débit d’air requis est :
q 3 = V3 x Sf
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Traitement de l’eau Désinfection La désinfection est un traitement qui permet de détruire ou d’éliminer les micro-organismes pathogènes, bactéries, virus et parasites ainsi que la majorité des germes banals moins résistants. C’est le moyen de garantir une eau bactériologiquement potable, tout en y maintenant un pouvoir désinfectant suffisamment élevé pour éviter les reviviscences bactériennes dans les réseaux de distribution. La désinfection est assurée par des produits chimiques dotés des propriétés germicides. Les plus utilisés sont : le chlore, le dioxyde de chlore, l’ozone, les UV, etc.
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Fonctions de le désinfection Un traitement immédiat effets bactéricide, virulicide ou biocide: capacité de traiter en une étape donnée Une bonne désinfection doit assurer
Une rémanence Effet bactériostatique contre les reviviscences; Effet bactéricide pour les pollutions éventuelles; Prévention contre les colonisations (biofilms)
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Modes de désinfection
Désinfection chimique
• Produits chlorés; • Produits halogénés (Brome); • Ozone...
• Température;
Désinfection physique
• UV; • Ultrafiltration
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Désinfection par les composés chlorés
L ’action désinfectante de HClO est 40 à 80 fois plus efficace que celle de ClOElle est fonction du pH de l’eau.
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Courbe d’absorption du chlore
En contact avec l’eau, le chlore entre en réaction avec les composés suivants : les substances réductrices inorganiques (Fe, Mn…); les substances organiques; les substances azotées pour former les chloramines
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Courbe d’absorption du chlore Phase A: Formation d’un sous produit (monochloramine) qui interfère avec le chlore résiduel libre au contact de l’orthotolidine. NH4+ + HOCl
NH2Cl + H2O + H+
monochloramine
Phase B : Destruction de la monochloramine formée. 2 NH2Cl + HOCl
N2 + 3HCl + H2O azote
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Courbe d’absorption du chlore
Phase C : Seul le chlore résiduel libre réagit avec l ’orthotolidine.
BREAK POINT (point de rupture)
Phase D : Accroissement
du chlore
résiduel libre en fonction des doses injectées de chlore.
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Désinfection des ouvrages d’eau potable La désinfection d’un ouvrage consiste à détruire les souillures incrustées ou à la surface du matériau de l’ouvrage et susceptible d’altérer la qualité bactériologique de l ’eau.
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Désinfection des ouvrages d’eau potable Les captages Le volume d’eau dans un puits ou forage est calculé par :
D : diamètre (m) H : hauteur d’eau (m)
V en m3 = π.(D/2)2. H
La dose de chlore à injecter dépond des temps de contact conventionnels suivants :
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Désinfection des ouvrages d’eau potable Les captages Si en utilise l’eau de javel : La quantité nécessaire est calculée par :
Qej (en l) = Tt.V/(d°colorimétrique x 3.17) V : volume total d’eau à désinfecter en m3 Tt : dose de chlore utilisée en g/m3 d°colorimétrique : degré colorimétrique ou titre de la solution d’eau de javel en g/m3 1 d°colorimétrique = 3,17 g/l de chlore
La même approche sera appliquée pour les réservoirs et les conduites d’eau potable
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Désinfection par les UV Les UV sont produits par des lampes à vapeur de mercure
Ils attaquent la matière organique des composés essentiels à la vie de la cellule : nucléoprotéines. Néanmoins, ses points faibles sont : • Faible débit, • Pas de rémanence. 121
Réactifs de traitement Pré-oxydants :
Eau de javel, hypochlorite de calcium, chlore, ozone, permanganate de potassium, air.
Coagulants :
Sulfate d'aluminium, wac (ou similaire), chlorure ferrique, chlorosulfate ferrique.
Autres coagulant :
Sulfate de cuivre, aluminate de sodium.
Important Tous ces types de produits ne sont pas utilisés dans tous les cas. Leur utilisation dépend de la nature et de la difficulté du traitement.
Correcteurs de pH :
Chaux, carbonate de sodium, soude, acide sulfurique, acide chlorhydrique, bicarbonate de sodium, carbonate de calcium.
Adjuvants de floculation :
Alginate de sodium, silice activée, polyélectrolytes, amidon, CAP.
Désinfectants :
Eau de Javel, chlore ou dérivé, dioxyde de chlore, ultra violet ozone 122
Coagulants plus utilisés Sulfate d'aluminium : Formule générale
Gamme de pH
Formes (solide est différente selon les fabricants), •
Al2(SO4)3, n H2O
5,7 à 7,2 (Optimum 6)
• • •
concassé, morceaux de 10 cm de large et de 1 cm d'épaisseur environ, "noisette", granulométrie comprise entre 2 et 12 mm ou 3 et 35 mm, poudre, granulométrie courante de 0,1 à 3 mm sous forme de solution aqueuse à 8,2% d'Al2O3 (oxyde d'aluminium ou Alumine)
Chlorure ferrique : Formule générale FeCl3.
Gamme de pH 5,5 à 8,5 (Optimum 8).
Formes stocké en bonbonnes, en containers ou citernes. utilisé uniquement sous forme de solution aqueuse d'environ 592 g/l (41 % en FeCl3, en poids).
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Bâtiment des réactifs : Ce bâtiment abrite les postes de préparation et d’injection des réactifs, qui seront dimensionnés en fonction des données ci-après : Sulfate d’alumine ou chlorure ferrique :
Concentration: Pour ces deux produits, les concentrations dans les bacs à réactifs seront de 150 à 250 g/l au maximum. Points d’injection : L’injection se fait, d’une part , dans chacun des mélangeurs rapides en tête des floculateurs et à l’entrée des débourbeurs si ceux-ci existent. Les bacs au nombre de 2 ( dont un de secours ) seront équipés d’un revêtement anti-acide, d’un agitateur électromécanique, de tuyauteries de vidange, de trop-plein et d’un collecteur pour l’alimentation des pompes doseuses. Une sécurité doit être prévue pour protéger les pompes en cas de niveau bas. Charbon actif :
Concentration : La concentration dans les bacs à réactifs sera de 50 g/l au maximum. Points d’injection : L’injection se fait dans les mélangeurs rapides avant les floculateurs. Le local de stockage et de préparation du charbon actif sera séparé du bâtiment d’autres réactifs pour des raisons de sécurité, 124
Polymère ou alginate :
Concentration: Les concentrations en solution dans les bacs à réactifs seront au maximum de 0.5 g/l pour le polyéletrolyte et de 1.5 g/l pour l’alginate. Points d’injection : dans chaque bassin de floculation et à l’entrée des débourbeurs si ces derniers sont prévus. Il faut prévoir pour ce poste, une unité de préparation de la solution en continu et automatique capable de doser aussi bien l’alginate que le polyélectrolyte.
Chaux:
Concentration: La concentration dans les bacs à réactifs sera au maximum de 50 g/l (exprimée en produit commercial à 90 % de pureté ). Points d’injection: dans le mélangeur rapide.
Permanganate de Potassium:
Concentration : La concentration dans les bacs à réactifs sera de 5 à 20 g/l au maximum. Points d’injection : L’injection se fait dans chacun des mélangeurs rapides en tête des floculateurs.
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Réglage des pompes doseuses
Le débit de la pompe doseuse est calculé par la formule suivante :
Qp = Qeau.C/Co Qeau : Débit d’eau à traiter (m3/h) Qp : Débit pompe doseuse (m3/h) Co : Concentration initiale de réactif (g/l) C : Concentration à injecter en réactif (g/l)
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Traitements non conventionnels de l’eau destinée à l’alimentation humaine Déferrisation - démanganisation
Pourquoi traiter le fer et le manganèse ? La présence d’une certaine quantité de fer et Manganèse dans l’eau peut entraîner certains inconvénients : ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔
Donner à l’eau un goût métallique désagréable, Tacher les tissus lors de la lessive , Tacher les équipements sanitaires, Réduction du rendement des échangeurs de chaleur, Neutralisation d’une partie des désinfectants due à l’oxydation du Fe et Mn, Formation d’ un précipité dans les conduites, ce qui favorise la croissance des bactéries ferrugineuses.
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A cause des inconvénients liés à la présence de Fer et Mn dans les eaux, l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), et l’Environmental Protection Agency (EPA) recommandent des concentrations maximales dans l’eau potable :
✔ 0,3 mg/l de Fer, ✔ 0,05 mg/l de manganèse
Pour la norme marocaine NM 03.7.001, ces valeurs sont : ✔ 0,3 mg/l de Fer, ✔ 0,5 mg/l de manganèse. Plaintes du consommateur à partir de 0.1 mg/l
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Rappel sur la chimie du fer et du manganèse
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Rappel sur la chimie du fer et du manganèse
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Rappel sur la chimie du fer et du manganèse
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Rappel sur la chimie du fer et du manganèse
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Rappel sur la chimie du fer et du manganèse
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PROCEDES DEFERRISATION-DEMANGANISATION
Différents procédés sont utilisées : Procédés d’oxydation, Précipitation sous forme de carbonates, Filtration sur des matériaux spécifiques, Procédés biologiques.
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Le fer et le manganèse peuvent être oxydés par différents produits chimiques. Le fer bivalent (Fe2+) est alors transformé en fer trivalent (Fe3+), tandis que le manganèse passe de la forme Mn2+ à la forme Mn4+. Ces métaux ont alors fortement tendance à se combiner à d’autres substances et à précipiter.
Oxydants : O2, le Chlore, KMnO4 , Cl2O2 et O3. Les principales réactions qui ont lieu lors de l’oxydation du fer et du manganèse par l’oxygène sont les suivantes :
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Les principales réactions qui ont lieu lors de l’oxydation du fer et du manganèse par le chlore sont les suivantes :
Les principales réactions qui ont lieu lors de l’oxydation du fer et du manganèse par le permanganate de potassium sont les suivantes :
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Oxydation du fer et du manganèse par le dioxyde de chlore :
Oxydation du fer et du manganèse par l’ozone :
Précipitation du fer et du manganèse sous forme de carbonates :
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Exemple d’un schéma type de déferrisation-démanganisation physico-chimique La filière de traitement permet d’assurer : l’oxydation du fer et du manganèse dissous par : - contact de l’eau avec de l’air dans des tours remplies des roches de pouzzolane (déferrisation) - injection du permanganate de potassium (démanganisation) filtration des précipités insolubles par : - injection du chlorure ferrique (coagulation) - filtration sur sable, désinfection, assurée par injection de l’eau chlorée à l’eau traité.
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Description d’une filière de déferrisation - démanganisation L’eau brute est pompée à l’aide d’un groupe électropompe vers la ligne de traitement composée de la tour d’oxydation et des filtre : En amont de la ligne de traitement, il est injecté de l’air dans l’eau. La diffusion et le mélange de l’air dans toute la veine liquide est assurée par un mélangeur à chicanes. L’eau ainsi aérée est admise à la partie inférieure d’une tour d’oxydation et traverse de bas en haut une masse de contact d’origine volcanique (Pouzzolane). L’excédent d’air est évacué au sommet de la tour par un purgeur automatique. À la sortie de la tour d’oxydation, il est injecté dans l’eau du permanganate de potassium en solution ainsi que le chlorure ferrique, via des pompes doseuses. Les solutions de ces réactifs sont préparées dans des bacs à cet usage. Les précipités du fer et du manganèse sont séparés de l’eau dans une batterie de filtres à sable fonctionnant sous pression. 139
Description d’une filière de déferrisation - démanganisation Les filtres à sable sont lavés périodiquement par retour d’eau et d’air. Pour l’eau de lavage, il est utilisé de l’eau traitée reprise dans le réservoir d’eau traitée. L’air de lavage est assuré par des surpresseurs. Les eaux filtrées sont désinfectées par injection d’une solution chlorée.
D’après la stœchiométrie de la réaction cité ci-dessus : Il faut 0,14 mg d’oxygène pour oxyder 1 mg de fer ferreux et par conséquent la production de 1,92 mg de Fe(OH)3 par mg de fer oxydé. Il faut 1,92 mg de permanganate de potassium pour oxyder 1 mg de manganèse.
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Elimination biologique du fer et du manganèse
Micro-organismes autotrophes Oxydation du fer et du manganèse Conditions favorables (pH, température, potentiel redox, O2 etc.), Elimination rapides et totale
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L’oxydation biologique du fer
Certaines bactéries spécifiques (ferrobactéries), tirent leur énergie de l’oxydation du fer pour leur développement. Pour cela toutes les conditions doivent être réunies : teneur en oxygène, pH, température de l’eau, potentiel redox… Ces bactéries sont autotrophes, c’est à dire que leur source de carbone est minérale (HCO3-, CO2). Cette déferrisation est réalisée dans des filtres à sable, dont le média est colonisé par les souches bactériennes spécifiques du fer. Un apport d’oxygène, plus ou moins important en fonction du pH, est réalisé en amont du filtre, afin de favoriser le développement des bactéries, et en aval, pour revenir à un taux d’oxygène normal dans l’eau après consommation par les bactéries.
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Modes d'action des bactéries du fer. La déferrisation biologique, dans son principe, ne diffère pas fondamentalement des procédés d'oxydation (à l'air) et de filtration. Il s'agit d'un phénomène de nature catalytique, qui induit une oxydation du fer permettant de combiner les phases d'oxydation et de filtration dans un seul appareil, même si le pH est inférieur à 7. Ainsi, de nombreuses bactéries permettent, en milieu aérobie une oxydation biologique du fer. Pour certaines bactéries, l'oxydation de ce métal est indirecte : elle est due à l'augmentation du pH liée à la croissance de ces bactéries. Cette augmentation du pH au voisinage de la bactérie permet l'oxydation du fer par l'oxygène à une vitesse variable. On notera que pour les métaux complexés aux matières organiques, diverses bactéries hétérotrophes utiliseraient la fraction organique des complexes fer/matière organiques, ce qui libérerait le fer et permettrait sa précipitation par voie catalytique au voisinage de leurs capsules. Ce retour des métaux à l'état minéral pourrait permettre à des bactéries autotrophes de prendre le relais pour leur oxydation et leur précipitation.
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Limites pratiques du procédé. Dans les conditions standards (décrites plus loin), on peut traiter des eaux ne présentant pas d'autres nuisances que le fer et dont les teneurs de certains éléments ne peuvent généralement pas dépasser des valeurs limites données ici :
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Avantages de la déferrisation biologique. Oxydation rapide : la tour d'oxydation est inutile (une injection d'air sous pression en ligne suffit), Réactifs souvent inutiles (pour la correction de pH ou la floculation), Capacité de rétention du fer importante.
Le fer est retenu sous forme très compacte. Il en résulte une capacité de rétention du fer (entre 2 lavages) très élevée. Comme pour la déferrisation par voie physico-chimique, cette capacité est fonction de la teneur initiale en fer de l'eau brute, mais est plus importante que dans le cas de la déferrisation physico-chimique. Il en résulte une économie appréciable sur la dépense en eau de lavage.
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L’oxydation biologique du manganèse
La présence de manganèse dans l’eau, associée à des conditions favorables à leur développement (teneur en oxygène, pH, température de l’eau, potentiel redox…), permet le développement de bactéries spécifiques tirant leur énergie de la réaction d’oxydation du manganèse, ci-dessous. Les principales bactéries utilisant le manganèse sont hétérotrophes, c'est-à-dire que leur source de carbone est organique. Afin d’obtenir des conditions idéales au développement bactérien, on injecte de l’air (50 à 90% de la saturation) en amont du filtre à sable, le média servant de support au développement bactérien. Ces microorganismes consommant de l’oxygène, il est donc nécessaire de réinjecter de l’air en aval du filtre.
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Conditions de croissance bactérienne : Nota : les conditions aérobies sont plus impératives que dans les cas de la déferrisation. Teneur en oxygène dissous de l'ordre de 50 à 90 % de la saturation; Potentiel d'oxydo-réduction supérieur à 300 mV environ; rH supérieur à une valeur de l'ordre de 25; pH supérieur à 7,5.
Si l'on compare ces dernières valeurs à celles qui caractérisaient le champ d'action des ferrobactéries, on voit que les deux domaines se juxtaposent, en se recouvrant très peu : la conception de base d'une installation de démanganisation biologique sera donc peu différente de celle d'une déferrisation biologique, et l'on pourra difficilement obtenir l'élimination simultanée des deux éléments dans le même filtre biologique.
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Avantages de la démanganisation biologique.
Les constatations faisant ressortir l'intérêt du procédé sont sensiblement les mêmes que celles qui ont été énoncées à propos de la déferrisation biologique, en y ajoutant le fait que la démanganisation physico-chimique requiert impérativement un oxydant fort, lequel est évidemment supprimé en mode biologique.
Les principaux points forts sont donc les suivants : Simplification des lignes de traitement : pas de tour d'oxydation, pas de bassin de contact entre aération et filtration, Pas de réactifs coûteux (KMnO4, ClO2, O3, coagulant, floculant...), le seul réactif en fonctionnement normal étant l'oxygène apporté par l'aération ; à noter toutefois qu'il peut être utile de pratiquer une distribution de KMnO4 pendant la période de démarrage (quelques semaines à quelques mois), mais le traitement se déroule ensuite sans aucun oxydant complémentaire (lequel serait au contraire nocif pour les bactéries).
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Avantages de la démanganisation biologique. Les seuls réactifs à prévoir sont : o éventuellement, un produit alcalin (chaux, soude, Na2CO3) si l'eau brute est agressive : il sera alors avantageux (contrairement à la déferrisation biologique, où cet ajustement ne se fait que sur l'eau traitée) de régler le pH d'équilibre en amont de la démanganisation, du fait des exigences de pH (supérieur à 7,5), o le chlore de désinfection finale avant refoulement dans le réseau, comme pour toute distribution d'eau de consommation. Grande vitesse de filtration : 10 à 50 m/h, suivant la teneur en Mn2+ de l'eau brute (10 à 30 m/h dans les cas les plus courants). Malgré la vitesse élevée, la perte de charge reste modérée grâce à la possibilité d'adopter une taille effective du sable plus élevée : celle-ci est généralement comprise entre 0.95 mm et 1.4 mm (à comparer avec la démanganisation physico-chimique en filtration sur matériaux fins : de TE = 0,55 à 1 mm, et de préférence en milieu bicouche). Compacité des stations : comme pour la déferrisation biologique, cette propriété résulte de la suppression des tours d'oxydation, de la possibilité de pratiquer des grandes vitesses de filtration, etc.* Grande capacité de rétention du manganèse éliminé : de 1 à 5 kg/m2 de matériau entre 2 lavages, soit 5 à 10 fois plus qu'en démanganisation physico-chimique. Bonne qualité d'eau traitée. Pas de risque d'eau colorée en rosé, comme cela se produit en traitement physico-chimique en cas de surdosage de KMnO4 ou d'ozone. Economie d'eau de lavage : conséquence de l'alinéa précédent, le pourcentage d'eau dépensée pour le lavage est 5 à 10 fois plus faible qu'en traitement physico-chimique. En outre, il est parfois possible de laver les filtres à l'eau brute. En revanche, il est recommandé de ne pas laver les filtres à l'eau traitée après chloration, ce qui nuirait à la population des bactéries du manganèse. Traitabilité des boues : en cas de besoin, les boues issues de ces traitements présentent une excellente aptitude à l'épaississement gravitaire (concentration finale de 30 à 80 g/1 après conditionnement avec polymère) et à la déshydratation.
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Exemple d’un schéma type de déferrisation-démanganisation biologique
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Equilibres calco-carbonique Toutes les eaux contiennent en quantités plus ou moins importante de l’acide carbonique, des ions monohydrogénocarbonates et carbonates. Toutes ces espèces chimiques sont interdépendantes. Il s’agit de l’équilibre caco-carbonique. Le comportement d’une eau dépond du fait qu’elle soit ou non équilibrée. Lors de son parcours dans les canalisations elle fera tout pour le retrouver.
Les eaux agressives ou corrosives attaquent la couche calcaire des tuyaux. Celles qui sont entartrantes ou incrustantes, provoquent le colmatage par dépôts calcaires. Le traitement de neutralisation ou de reminéralisation, en sortie de la filière de traitement, permettent d’éviter ces inconvénients.
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Un peut de lexique ! Désignation
Définition
Eau agressive
Une eau agressive est une eau qui dissout les dépôts calcaires. L’agressivité est liée principalement à la quantité des différents composés du gaz carbonique présents dans l’eau. Une eau totalement adoucie a tendance à dissoudre un dépôt calcaire. L’agressivité de l’eau n’est pas liée à la corrosivité de l’eau.
Eau corrosive
Eau qui a tendance à corroder les métaux, le béton, etc.
Eau incrustante ou entartrante
L’eau entartrante est une eau avec un TH non équilibré qui a tendance à déposer du tartre car elle possède une forte concentration en ions calcium et en ions magnésium.
Le pH (potentiel hydrogène)
L'échelle du pH est graduée de 2 à 12 et mesure l'acidité ou la basicité de l’eau. Plus le pH est élevé et plus l'on dit qu'il est basique.
Le TH (Titre Hydrotimétrique)
Le TH est la teneur en ions calcium et magnésium de l’eau exprimée sur une échelle de 0° à 45° . Il est plus connu sous le nom de « dureté ». A 0° l'eau est douce, à 45° l'eau est calcaire. Si le TH est supérieur à 25°F, l'eau est considérée comme entartrante
Le TAC (Titre Alcalimétrique Complet)
Le TAC est la teneur en ions bicarbonate et carbonate de l’eau exprimée sur une échelle de 0° (eau douce) à 30° (eau alcaline). Il est plus connu sous le nom « d'alcalinité ». Le degré de TAC indique le pouvoir tampon de l'eau, c'est-àdire sa capacité à absorber les variation du pH). La valeur idéale du TAC est supérieure à 10° F.
Eau équilibrée
Elle doit être équilibrée tant en terme de pH (potentiel Hydrogène), de TH (Titre Hydrotimétrique) et de TAC (Titre Alcalimétrique Complet).
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Equilibre prédominant : CaCO3 + CO2 + H2O
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Ca(HCO3)2
2 Le calcaire ou carbonate de calcium est insoluble alors que le dihydrogènocarbonate de calcium est soluble. L’équilibre entre les deux espèces est fonction de la teneur en CO2 dans l’eau définie comme concentration en CO2 équilibrant :
1. Si [CO2] libre > [CO2] équilibrant, le sens 1 est prédominant. Le CO2 excédentaire attaque la couche calcaire présente dans les canalisations, l’eau est donc agressive ; 2. dans le cas contraire, le manque de CO2 favorise le sens 2, une partie de Ca(HCO3)2 se dépose en calcaire et augmente la teneur en CO2 libre. L’eau est entartrante ou incrustante.
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Répartition des formes de CO2 dans l’eau
CO2 total
CO2 libre
CO2 combiné
- CO2 équilibrant - CO2 agressive
- HCO3- CO32-
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Traitement des eaux agressives Traitement réservé aux eaux dont le CO2 libre est en excès Ce traitement se situe en fin de filière pour mettre l’eau à l’équilibre ou au niveau du floculateur pour atteindre le pH optimum de floculation. Il faut consommer le C02 agressif et augmenter le TAC. Procédés de traitement Aération : réalisée soit par pulvérisation de l’eau à l’air libre, soit par injection d’air dans l’eau ; Neutralisation chimique par addition de la chaux vive ou par filtration lente sur calcaire.
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- Calcaire: CaCO3 + CO2
+ H2 O
Ca(HCO3)2
- Chaux:
CaO + 2CO2
+ H2 O
Ca(HCO3)2
- Soude:
NaOH + CO2
+ H2 O
Na(HCO3)
Un tel traitement augmente le pH et l’alcalinité . Tout excès de chaux entraine une réaction d’adoucissement et par conséquence directe, un dépôt de calcaire. 156
Traitement des eaux incrustantes - Réduction de l’alcalinité Les eaux de cette catégorie présentent un TAC élevé et un déficit en CO2 libre. Il est nécessaire d’ajouter du dioxyde de carbone ou de consommer de l’alcalinité.
Injection de CO2 : le gaz carbonique nécessaire pour que l’eau atteigne son équilibre. Seul le pH est modifié, l’alcalinité reste constante; Injection d’acide sulfurique (est aussi possible)
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- Adoucissement par décarbonatation Il s’agit d’eaux à fort titre hydrotimétrique accompagné d’un TAC élevé. L’adoucissement sur résines cationiques est une solution, mais la décarbonatation à l’aide de chaux est réservée aux forts débits. Les réactions issues de l’adition de la chaux sont les suivantes : - CaO + 2CO2
+ H2 O
Ca(HCO3)2
- CaO + Ca(HCO3)2
2CaCO3
- CaO + Mg(HCO3)2
CaCO3
+ H2 O +
MgCO3
+ H2 O
L’élimination de la dureté bicarbonatée, calcique ou magnésienne s’effectue par la formation de précipités de carbonate de calcium et de magnésium.
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