Introduction au traitement des eaux de consommation Procédés chimiques dans l’industrie AH 1

Historique du traitement des eaux Des références de 2000 ans av.J.-C. indiquent comment rendre les eaux potables en les faisant bouillir au dessus d’un feu, en les chauffant au soleil, en y plongeant un fer chaud ou en les filtrant à travers un lit de sable et de gravier. Premières lois en 1852 à Londres pour obliger le traitement des eaux, chloration à partir de 1904; aux États-Unis à partir de Jusqu’au début du XX e siècle, l’appréciation de la qualité des eaux était basée sur les sens (limpidité, goût agréable, inodore...). 2

Sources principales d’eaux brutes Eaux de pluie: Eaux de surface – partie amont d’une rivière: 3

Sources principales d’eaux brutes Eaux de surface – partie aval d’une rivière: Eaux de surface - lacs 4

Sources principales d’eaux brutes Eaux souterraines: 5

Sources principales d’eaux brutes Eaux de mer: 6

Sources principales d’eaux brutes Eaux de mer: 7

Cycle de l’eau 8

La mobilité et fragilité des eaux de surface Le cycle de l’eau: – Plusieurs sources de pollution altèrent la qualité de l’eau de surface: Urbaine; Agricole; Industrielle. 9

Sources urbaines eaux usées municipales ou privées non traitées effluents d’eaux usées insuffisamment traitées ou non désinfectées eaux usées non traitées provenant des trop-pleins de réseaux d’égouts eaux de ruissellement provenant des lieux d’enfouissement sanitaire 10

Sources agricoles et industrielles Agricoles: – eaux de ruissellement contaminées par les lisiers – eaux de ruissellement contaminées par les engrais Industrielles: – certaines eaux de ruissellement et de procédés 11

Bassin versant Séparation physique par topographie naturelle du terrain: – Toutes les gouttes de pluie qui tombent s’écoulent, puis se rejoignent en un même endroit pour former une rivière qui débouche sur un fleuve ou dans la mer; – Les frontières entre les bassins versants forment ce qu'on appelle la ligne de partage des eaux, comme on peut le voir sur la figure. 12

Régions hydrographiques 13

Variation des conditions climatiques Température Précipitations Choc acide printanier 14

Sécheresse Efflorescence algale (algal bloom) Déversement accidentels ou illicites Frasil, moules zébrées, ensablement 15 Variation des conditions climatiques

Règlement sur la qualité de l’eau potable L’eau de surface est plus vulnérable à la contamination que l’eau souterraine: – Les stations d’épurations s’y approvisionnant sont plus à risque de rencontrer un niveau de contamination saturant la capacité de traitement d’une usine de base; – Elles doivent donc être dotées d’une chaîne de traitement plus complète. 16

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Règlement sur la qualité de l’eau potable 18

Règlement sur la qualité de l’eau potable 19

Objectifs minimaux de traitement des eaux selon le type d’eau à traiter 20 ClasseTypes d’eau bruteRéduction minimale obligatoire des organismes cibles CryptosporidiumGiardiaVirus I Eau de surface ou eau souterraine susceptible d’être sous l’influence d’une eau de surface 2 log (99%)3 log (99,9%) 4 log (99,99 %) II Eau souterraine non susceptible d’être sous l’influence d’une eau de surface mais avec des antécédents de contamination fécale Aucune 4 log (99,99 %) III Eau souterraine non susceptible d’être sous l’influence d’une eau de surface ni ayant des antécédents de contamination fécale Aucune

Qualité VS accessibilité 21 CARACT. EXAMINÉESEAUX DE SURFACEEAUX SOUTERRAINES Température Variable selon les saisonsRelativement constante Turbidité Variable et parfois très élevée Faible ou nulle Ammoniaque Seulement dans les eaux polluées Présence fréquente Éléments vivants Bactéries, virus et protozoaires selon la qualité de l'eau brute Rarement présents Oxygène dissout Près de la saturation Absence totale la plupart du temps Éléments minéraux Présence variable en fonction du type de sol, des précipitations, des rejets en amont, etc. Présence constante et généralement plus élevée que dans les eaux de surface de la même région Nitrates En général, peu abondant Taux parfois élevé

Taille comparative des microorganismes 22 Virus. Parasite Bactérie (Protozoaires : Giardia, Cryptosporidium)

Schéma général d’un procédé de traitement des eaux de surface 23

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La prise d’eau Prise d’eau : Différente selon que la source est une eau de surface ou souterraine: Eau libre: – Habituellement munies d'une grille fixe servant à retenir les débris grossiers. Eau souterraine: – Mise à profit de la gravité (bassin de rétention creusé sous le niveau de l’eau souterraine, puit, galerie de captage) ou d’une succion mécanique (pointe filtrantes) pour capter l’eau. 26

Le dégrillage À la sortie de la prise d’eau, on retrouve la structure de dégrillage ou tamisage: – Rôle : Retenir les débris et de protéger les équipements situés en aval Sa capacité à retenir les débris dépendra de la grosseur des mailles de la grille. – Débris: Branchage, petits poissons/animaux, cailloux, etc. Généralement suivi d’une préozonation: – Oxydation de la matière organique et désinfection partielle. 27

Coagulation, floculation et décantation Rôle : – Diminuer la turbidité selon les normes en vigueur de l’eau produite (0,3 UTN, Unité de Turbidité Néphélométrique) – Éliminer entre 30 et 50 % du COT (Carbone Organique Total) et jusqu’à 80 % des substances humiques (produits de la décomposition des matières organiques) – Enlever 99 % (2 log) des oocystes de Cryptosporidium, 99,9 % des kystes de Giardia (3 log) et 99,99 % des virus (4 log) lorsqu’elle est suivie d’une filtration et désinfection 28

Tailles des particules présentes dans les eaux naturelles 29

Particules présentes dans les eaux naturelles Matières en suspension: – Matières pouvant être décantées en deux heures ou être retenues sur un filtre de o,45 µm Particules colloïdales: – Ne décantent pas naturellement, principalement à cause de leur charge électrique de surface (majoritairement négative) Composés en solution : – Gaz dissous, composés minéraux, polluants organiques. 30

Particule colloïdale 31

Coagulation Sert à réduire les forces de répulsion: – Déstabilisation des particules colloïdales; – Favorisation de l’agrégation: Ce qui favorise la décantation ou la flottation Tout électrolyte peut être utilisé pour déstabiliser un colloïde: – Réduction de la double couche par l’augmentation de la force ionique – Efficacité proportionnelle à la valence des cations Al 3+ > Fe 3+ > Ca 2+ > Na + – Les ions trivalents sont plus efficaces et ont tendance à former, aux pH des eaux naturelles : Des hydroxydes insolubles – Piégeage des particules dans ces cristaux. Des ions complexes avec certains anions, qu’on peut amener à précipiter en jouant sur le pH 32

Floculation La coagulation déstabilise les particules: – Une légère agitation permet la formation de flocons Pour accélérer la floculation: – Augmenter le volume et le nombre des particules en suspension – L’ajout de polyélectrolytes permet l’augmentation rapide du volume des particules par agglomération – L’ajout de microsable augmente le nombre de particules en suspension et crée une grande surface de contact où les particules peuvent s’agglomérer. L’étape de maturation consiste en un mélangeage rapide dont la vitesse est contrôlée: – De façon à favoriser l’agglomération – Mais sans briser les microflocons. 33

Pontage du floc 34

Décantation Séparation des flocons et de l’eau: – Se fait rarement dans des décanteurs statiques (trop long) – Plutôt dans des décanteurs dynamiques: Lamellaires; À lit de boues; À recirculation de boues À flocs lestés 35

Décanteur statique 36

Décanteur lamellaire 37

Lamelles Utilité des lamelles: – Augmentent la surface où les flocons peuvent percuter une paroi – L’inclinaison des parois favorise l’écoulement des boues au fur et à mesures qu’elles se déposent sur les parois des lamelles. 38 b

Plaques de décantation 39

Décanteur à lit de boues 40 L’entrée dans la zone de boues permet de réaliser un contact entre les microflocons et les boues Ce lit fluidisé permet d’augmenter la vitesse de sédimentation

Décanteur à recirculation de boues 41

Décanteurs à flocs lestés 42

Décanteurs à floc lestés L’ajout de microsable accroit la masse volumique des flocons Ce qui permet un accroissement très net de la vitesse de sédimentation : – À l’usine de Vaudreuil, entre 5 et 8 minutes séparent l’arrivée de l’eau brute de la sortie du décanteur, qui est de ce type. Un système d’hydrocyclone permet la séparation par masse volumique des boues du microsable, lequel est réinjecté dans le décanteur. 43

Hydrocyclone 44

Supervision du procédé Jar-test: – Coagulation : introduction à l’aide de pipettes des produits pour le rajustement éventuel du pH (acide ou base) ou de l’alcalinité, puis introduction du coagulant à l’aide de pipettes ou de micro-pipettes sous agitation rapide (100 à 200 tours/min) durant 30 à 120 secondes (parfois plus longtemps). – Floculation : Agitation lente (20 à 40 tours/min) pendant 5 à 20 minutes. Observer la vitesse de formation des flocons et leur taux de grossissement. – Décantation : de 20 à 60 minutes.Filtration : si l’on souhaite analyser la qualité de l’eau filtrée. Elle peut être réalisée sur sable ou sur membrane de 0,45 µm. Permet de déterminer de façon sûre la quantité de réactif à utiliser 45

Filtration La filtration permet d’éliminer : – La très grande majorité des petites particules non-décantées; – Une majorité des composés organiques en solution, par adsorption sur charbon activé Les filtres peuvent être: – À sable (filtration rapide) – À membrane 46

Filtre rapide 47

Faux fond 48

Caractéristiques des matériaux du filtre rapide 49 MatérielDensitéSphéricitéPorosité du lit (µm) Sable de silice2,650,80 – 0,900,38 – 0,42 Anthracite1,50,70 – 0,750,45 – 0,50 Charbon actif1,350,70 – 0,750,45 – 0,50 Grenat4,20,70 – 0,750,45 – 0,50 Ilménite4,80,70 – 0,750,45 – 0,50

Lavage à contre-courant 50 Le lavage à contre-courant consiste à dilater le lit filtrant, à départir les grains de sable ou tout autre média de leurs saletés, et à transférer celles-ci dans le courant d’eau vers le rejet des eaux de lavage. Le lavage doit se faire de façon énergique, tout en évitant de déranger (déplacer) la couche de gravier et d’entraîner le sable à l’égout. Le frottement des grains de sable et de l’anthracite (charbon concassé) permet de déloger les dépôts agglomérés. Par différence de masse volumique, les couches se redéposent de façon superposée, le sable sous l’anthracite.

Filtration membranaire 51

Contrôle du pH Ajout de carbonate de sodium : – Stabilisation du pH à une valeur légèrement basique Provoque un effet entartrant recherché : – Augmentation de l’épaisseur de la couche de dépôts dans les canalisations moins dommageable que leur oxydation : Ultimement, mènerait à des bris. 52

Désinfection 53 ParamètresChlore Ozone ClO 2 NH 2 ClRayons UV Source1.Cl 2 gazeux 2.Eau de Javel 3.Généré sur site Généré sur site (O 2 + énergie) Généré sur site (NaClO 2 + énergie) Généré sur site (Cl 2 + NH 3 ) Généré sur site (Lampes UV au mercure) UtilitéDP, DS, GO, C, OxDP, GO, C, Ox, FB DP, DS, GO, C, Ox DSDP Avantages1.Coût 2.Facilité d’utilisation 3.Polyvalence (DP+DS) 4.Laisse un résiduel dans le réseau 1.Contrôle des goûts / odeurs et couleur 2.Peut-être combiné à une filtration biologique 3.Réduction des THM sous certaines conditions 1.Ne réagit pas avec l’ammoniaque 2.Ne forme pas de THM / AHA 3.Excellent pour oxyder Fe / Mn 1.Formation minime de THM / AHA 2.Meilleure persistance que le Cl 2 en réseau 3.Plus efficace que le Cl 2 pour contrôler la recroissance 1.Facile à ajouter à une installation existante 2.Efficace en eaux froides 3.Coût compétitif 4.Aucun sous- produit de désinfection connu à ce jour DP : Désinfection primaire (inactivation des pathogènes), GO : Goûts et odeurs, DS : Désinfection secondaire (désinfection en réseau de distribution), C : Couleur, Ox : Oxydation du fer et manganèse, FB : À combiner avec des filtres biologiques

54 ParamètresChloreOzoneClO 2 NH 2 ClRayons UV Inconvénients1.Risque relié au Cl 2 gazeux 2.Goûts et odeurs 3.THM 1.Bromates 2.Pas de résiduel persistant 3.Procédé relativement complexe et coûteux 4.Risque relié à l’ozone 1.Chlorites / chlorates 2.Goûts et odeurs pour certains types d’eau 3.ClO 2 résiduel recommandé = 0,80ppm 4.Sécurité reliée à l’utilisation du NaClO 2 1.Possibilité de nitrification en réseau 2.Faible efficacité comme désinfectant primaire 1.Pas de résiduel persistant 2.Technologie en validation 3. Encrassement possible des lampes selon les types d’eau / coagulants Note : lorsque se cachent derrière… Efficacité en désinfection 2 Virus (4log)Très bonneExcellenteBonneFaibleAcceptable Giardia (3log)AcceptableTrès bonneBonneFaibleTrès bonne Cryptosporidiu m (2log) Négligeable Excellente

Effet des désinfectants sur les parasites 55

Ozone L’ozone est un agent oxydant puissant, capable de désinfecter l’eau à une concentration et un temps de contact moindres que ceux de désinfectants plus faibles comme le chlore et le bioxyde de chlore. L’ozone est cependant instable, il se transforme rapidement en oxygène et sa demi-vie est très courte (30 minutes à 20°C et un pH de 7). Il n’est pas possible de maintenir de l’ozone résiduel dans l’eau traitée. 56

Ozonation Une seconde ozonation a lieu pour assurer : – la désinfection primaire; – l’oxydation de polluants inorganiques (fer, manganèse, sulfure); – l’oxydation de micropolluants organiques et des composés responsables du goût et de l’odeur, des polluants phénoliques et de certains pesticides; – l’oxydation de macropolluants organiques et l’amélioration de la biodégradabilité de composés organiques; – le contrôle des précurseurs des sous-produits de désinfection et la réduction de la demande en chlore. 57

Production de l’ozone 58

Ozoneur 59

Introduction de l’ozone 60

Hypochlorites L’ajout d’hypochlorite de sodium dans l’eau se traduit par la formation d’acide hypochloreux (HOCl) selon la réaction suivante : NaOCl + H 2 O  HOCl + Na + + OH - La réaction de l’hypochlorite de calcium (Ca(OCl) 2 ) dans l’eau L’ajout d’hypochlorite de calcium dans l’eau se traduit par la formation d’acide hypochloreux (HOCl) selon les réactions suivantes : Ca (OCl) H 2 O  2 HOCl + Ca OH - 61

Chlore Le chlore mis en présence de l’eau réagit instantanément, comme suit : Cl 2 + H 2 O  HClO + H + + Cl – En fonction du pH du milieu, l’acide hypochloreux (HOCl) se dissocie plus ou moins en ions hypochlorites (OCl - ) selon la sous-réaction d’équilibre suivante : HOCl  OCl - + H + Le chlore résiduel est mesuré à l’extrémité de tous les réseaux de distribution, où il doit être d’au moins 0,3 mg/L 62

Pourcentage de HClO en fonction du pH 63

Temps de demi-vie de l’acide hypochloreux dans l’eau 64 Température Durée de demi-vie en jours 20 o C o C25 40 o C5 50 o C1 60 o C0,3