Procédés physico-chimiques de traitement des eaux naturelles Chapitre II : Procédés physico-chimiques de traitement des eaux naturelles

Chaîne classique d’une station de traitement des eaux naturelles Captage des eaux Prétraitement Préoxydation Clarification Traitement d’affinage Désinfection Distribution

Prétraitement Le dégrillage : permet de protéger les ouvrages avals de l'arrivée de gros objets susceptibles de provoquer des bouchages dans les différentes unités de traitement. L’espacement entre les barreaux d’une grille varie de 5 à 10 cm. Le tamisage : permet d'éliminer des objets plus fins que ceux éliminés par le dégrillage grâce à des grilles à mailles de 0,3 à 3 mm. Il existe également des micro-tamis à mailles de 25 à 100 microns . Le dessablage: bassin de dessablage est prévu dans le but d’extraire les sables et particules minérales plus au moins fines.

2 Fe2+ + HClO + HCl 2Fe3+ + 2Cl- + H2O Préoxydation Destinée à permettre : l’élimination du fer et du manganèse . Mn2+ + O3 + H2O MnO2 +1/2 O2 + H2O 2 Fe2+ + HClO + HCl 2Fe3+ + 2Cl- + H2O L’élimination de l’azote ammoniacal NH3 + HClO NH2Cl + H2O L’élimination de la couleur L’élimination des algues et phytoplancton et lutte contre leur prolifiration dans les installations.

Préoxydation Techniques utilisées Préchloration Préozonation Oxydation par le permanganate de potassium KMnO4 Oxydation par le bioxyde de chlore

Préoxydation Préchloration Utilisation du chlore gazeux , l’hypochlorite de calcium Ca(OCl)2, l’hypochlorite de sodium NaClO(eau de Javel). Ces composés se dissolvent pour donner l’acide hypochloreux HOCl NaClO + H2O NaOH + HClO HClO H+ + OCl- (ion hypochlorite) Traitement de désinfection efficace : 7 < pH < 8

Préoxydation Préchloration Lorsque le chlore est introduit dans une eau contenant de l’azote ammoniacal, il se forme des chloramines (chlore résiduel combiné) ayant un pouvoir bactéricide non négligeable. HClO + NH3 H2O + NH2Cl (monochloramine) HClO + NH2Cl H2O + NHCl2 (Dichloramine) HClO + NHCl2 H2O + NCl3 (Trichloramine) Une dose plus élevée de chlore détruit ces chloramines en les oxydant en azote gazeux. 2 NH2Cl + HClO 3HCl + H2O + N2 « break point », où les chloramines sont transformées totalement en azote moléculaire

Préoxydation Préchloration La pré-chloration présente l'inconvénient de former des composés organiques chlorés dont les trihalométhanes (THM) qui peuvent avoir des effets nocifs sur la santé de l'homme. Il faut donc éviter une pré-chloration dans le cas de l'eau brute fortement chargées en matières organiques. Car les THM se forment à partir du chlore et de certains composés ( ex. les acides humiques).

Pas de formation de produits chlorés. Préoxydation Préozonation Utilisée en remplacement de la préchloration sur les eaux chargées en matières en suspension et en algues. Avantages: Pas de formation de produits chlorés. Favorise la coagulation-floculation-décantation ( l’oxydation, la dégradation de certaines molécules en fragments plus petits changent la distribution des particules selon la taille ). Sa préparation et son utilisation est plus délicate et plus coûteuse que celle du chlore

Préoxydation par le bioxyde de chlore ClO2 Il est plus efficace vis-à-vis de la couleur et du goût mais il ne permet pas l’élimination de l’azote ammoniacal. Sont application reste limitée du fait de sont coût élevé et de sa préparation et manipulation délicate. Préoxydation par le permangantate de potassium KMNO4 Efficace pour les eaux brute riches en fer et en manganèse. Cependant, ce traitement est trois fois plus coûteux que les précédents.

Permanganate de potassium Oxydant Avantages Inconvénients Chlore Puissant oxydant Formation de sous-produits Utilisation simple THM résiduel persistant Forte influence du pH Longues expérience de son utilisation Problèmes avec goûts et odeurs Bioxyde de chlore Oxydant puissant Préparation sur site Résiduel relativement persistant Problèmes avec odeurs Pas de formation de THM Formation produits halogènes Pas d'influence du pH Ozone Faible effet rémanent Pas de formation de THM ni produits halogènes Pas de problèmes avec goûts et odeurs Corrosif Efficacité sur algues Utilisation peu aisée Peu d'effet du pH Effet bénéfique sur coagulation Formation sous-produits biodégradables Permanganate de potassium Utilisation aisée Oxydant modéré Coloration rosé de l'eau quand il est en excès Sous-produits peu connus Peut précipiter suivant pH

Clarification Procédé de clarification Clarification: Coagulation-floculation Eau brute Dégrillage Déssablage Désinfection Procédé de clarification Décantation Filtration Préoxydation Clarification: Etape indispensable pour les eaux de surface et les eaux souterraines karstiques. Permet d’obtenir une eau limpide par élimination des matières en suspension, et donc de la turbidité. Ainsi que l’élimination de certains éléments minéraux et matières organiques. La clarification peut combiner les procédés suivants : Coagulation- floculation + décantation + filtration

Structure d’un colloïde Coagulation- floculation C’est un procédé physico-chimique qui a pour but de déstabiliser les matières colloïdales (particules qui ne s’agglomèrent pas naturellement).  L'élimination des colloïdes passe par l'annulation du potentiel zêta afin d'annuler les forces de répulsion. La coagulation chimique, par apport de cations trivalents (Al3+, Fe3+), est donc la meilleure solution. Les ions Al3+ et Fe3+ neutralisent la force de répulsion entre les particules colloïdales et favorisent ainsi la coagulation. Structure d’un colloïde

Coagulation - floculation Après avoir été déstabilisées, les particules colloïdales ont tendance à s'agglomérer lorsqu'elles entrent en contact les unes avec les autres par agitation et produire des flocs. Réactifs utilisés pour la coagulation - floculation Les réactifs utilisés sont généralement des sels de fer ou d’aluminium le sulfate d'aluminium Al2(SO4)3, 18 H2O . le chlorure ferrique FeCl3, 6 H2O. Le polychlorosulfate basique d’aluminium (Aqualenc). Le polychlorure d’aluminium (WAC). La mise en solution d'un coagulant (l’hydrolyse) se déroule en deux étapes. Prenons l'exemple du sulfate d'aluminium : Chaque réactif coagulant n’étant actif que dans une certaine zone de pH, un ajustement du pH peut s’avérer nécessaire.

Coagulation - floculation Réactifs utilisés pour la coagulation - floculation Chaque réactif coagulant n’étant actif que dans une certaine zone de pH, un ajustement du pH peut s’avérer nécessaire. Forme prédominante pH Al(OH)3 Fe(OH)3 5,8 à 7,2 5,5 à 8,3 dans ces gammes de pH, les formes dissoutes Fe3+ et Al3+ sont quasi-inexistantes. On minimise donc : Les risques sanitaires par contamination de l'eau (Al3+) La pollution colorée (Fe3+) La corrosion du réseau du fait de l'existence de ferrobactéries et de phénomènes d'oxydoréduction.

Rôle du TAC: Une autre particularité de l'addition de coagulant dans l'eau est la consommation d'alcalinité. Cette perte de TAC est fonction de la nature et de la concentration du composé mis en jeu. Par exemple, pour le sulfate d'aluminium, on a : La perte d'alcalinité (consommation de HCO3-) se traduit par une chute de pH. La chute du pH est due également à la libération des ions H+ après hydrolyse du sel d’aluminium. chaque Al3+ réagit avec 3 OH- provenant de l'eau elle-même selon les réactions : Al2(SO4)3 3 SO42- + 2 Al3+ H2O H+ + OH- Al3+ + 3 OH- Al(OH)3

Les conditions hydrodynamiques de l’essai de jar-test Coagulation - floculation Dose du coagulant Afin de déterminer la dose du coagulant nécessaire pour le traitement de coagulation – floculation on doit passer par l’essai de Jar-test au niveau du laboratoire. Les conditions hydrodynamiques de l’essai de jar-test 3 minutes d’agitation rapide 17 minutes d’agitation lente Une demi heure de décantation

Dosage de la matière organique par UV Détermination de la turbidité

Décantation / Flottation L’eau coagulée et floculée entre dans le décanteur à vitesse réduite de façon à éviter les turbulences. Les flocs se déposent au fond de l’ouvrage et l’eau clarifiée est récupérée en surface. La flottation consiste à favoriser la clarification par entraînement des particules en surface, grâce à la génération de bulles d’air, qui s’accrochent aux matières en suspension et aux flocs. Les flottants sont récupérés en surface par bras racleur. Types de décanteurs Décanteur statique Bassin rectangulaire ou circulaire où les boues se déposent. Les petits décanteurs sont munis de fonds inclinés de 45° à 60° pour permettre l’évacuation continue ou intermittente des boues au point le plus bas. 2) Décanteurs à contact de boues décanteurs qui possèdent une zone de réaction où l’on met en contact l’eau brute et ses réactifs avec les boues déjà existantes : on trouve là les appareils à circulation des boues.

Filtration C’est un procédé physique disposé généralement après la décantation. Ce procédé peut être toutefois situé directement après une coagulation-floculation ou après une pré-oxydation. La filtration permet de retenir les matières en suspension qui n’ont pas été piégées lors des étapes précédentes ou qui ont été formées lors de la pré-oxydation. Elle est réalisée généralement sur sable. Le filtre à sable nécessite un nettoyage périodique afin d’éliminer les matières retenues entre les grains qui ralentissent le passage de l’eau.

Filtration Types de filtration La filtration lente (V< 10 m/j) : utilisée pour de faibles débits d’eau. Elle assure l’épuration et la clarification des eaux. A l’avantage d’être une opération facile mais ce type de filtration nécessite une grande surface de filtration et exige une eau dont la turbidité est faible. La filtration rapide (V = 4,5 à 10 m/h) : S’applique à des eaux préalablement traitées (eau floculée et décantée) et a pour but la clarification poussée de l’eau par l’élimination des MES.

Traitement d’affinage Affinage par Ozonation Le traitement d'oxydation par l'ozone précède généralement une étape d'adsorption sur charbon actif en grain. Cette combinaison permet une réduction importante de la matière organique. Parmi les actions principales qu'elle opère, on trouve: Elimination du goût et des odeurs. Transformation des molécules de grandes chaines en molécules de petite taille. Destruction des phénols et de certains détergents.

Traitement d’affinage Affinage par adsorption L'adsorption définit la propriété de certains matériaux à fixer à leur surface des molécules extraites de la phase liquide ou gazeuse dans laquelle ils sont immergés. On peut utiliser le charbon sous deux formes:  Le charbon actif en poudre Il est utilisé sous forme de suspension que l'on introduit au cours de la phase de floculation.   Le charbon actif en grains Il est utilisé sous forme de lit-filtrant permettant de combiner les propriétés adsorbants et filtrantes du charbon. Ces filtres doivent être placés dans la filière de traitement soit à la place des filtres à sable, soit après une filtration rapide sur sable.

La désinfection La désinfection a pour objectif la destruction de tous les organismes pathogènes à la sortie des usines. La désinfection n’est efficace que si l’eau a été préalablement bien traitée. Elle doit être effectué de manière à maintenir un résiduel désinfectant sur tout le réseau de distribution afin d'éviter toute dégradation de la qualité de l'eau par prolifération de micro-organisme.

Les Traitements d’équilibre Le but est d'éliminer le gaz carbonique (CO2) agressif des eaux, et d'augmenter si nécessaire l'alcalinité (TAC) et/ou la dureté (TH) de ces eaux dites "agressives". 1. Traitement par aération Procédé physique, utilisé uniquement si le CO2 est élevée et pour lequel les quantités de réactifs neutralisants seraient prohibitives. Les techniques possibles : ruissellement par cascades, injection d'air dans la masse liquide.

Les Traitements d’équilibre 2.Traitement par neutralisation Procédé chimique, qui permet l'élimination du CO2 par réaction de neutralisation avec un réactif basique . Les principales techniques possibles : Neutralisation à la chaux : Ca(OH)2 + 2 CO2 Ca(HCO3)2 Neutralisation à la soude : NaOH + CO2 NaHCO3 Neutralisation au carbonate de sodium: Na2CO3 + CO2 + H2O 2 NaHCO3 Filtration sur matériau neutralisant à base de calcaire principalement: CaCO3 + CO + H2O Ca(HCO3)2 Neutralisation au bicarbonate de sodium : NaHCO3 + CO2 + H2O 2 NaHCO3

Les Traitements d’équilibre 3. Traitement par reminéralisation. Reminéralisation par injection de CO2 suivie d'une neutralisation par réactifs neutralisants. sur un filtre à base alcaline (carbonate de calcium). Reminéralisation par injection de bicarbonate de soude et d'un sel fort de calcium (le sulfate de calcium ou le chlorure de calcium). Ce traitement concerne les eaux douces à faible teneur mais néanmoins sursaturées en CO2 libre.