Généralités
:
L'intérêt à l'égard des membranes, dans le
domaine de la production d'eau potable, est dû à
différents facteurs.
On a d'abord développé des membranes pour le
dessalement, à cause de l'insuffisance des ressources en eau
douce. Puis, d'autres facteurs ont concouru à étendre
les activités sur les membranes à tous les domaines du
traitement de l'eau :
Définitions principales:
L'eau alimente la membrane à un débit
(Qa), sous une pression
(pa), une pression osmotique(pa),
et une concentration Ca ; se sépare en
deux fractions, le perméat et le concentrat (ou
rétentat), à des débits
Qp et Qc et des
concentrations Cp et Cc
:
Perméat :
Fraction de l'eau d'alimentation convertie en eau traitée
(après passage à travers les membranes).
Rejection en sels :
Quantité de sels retenue par la membrane, souvent
exprimé en %.
Concentrat :
Eau d'alimentation non traitée (non passée à
travers les membranes), il contient toutes les espèces
dissoutes de l'eau d'alimentation, plus les produits
nécessaire au prétraitement.
Flux de perméat (transmembranaire) :
Rapport entre le débit d'eau (perméat) et la surface
membranaire active
(exprimé souvent en litres.h/m²).
Pression transmembranaire (appliquée)
:
C'est la pression obtenue par différence entre la pression
moyenne du côté alimentation/concentrat et celle du
côté sortie du perméat.
Pression osmotique transmembranaire :
Différence entre la pression osmotique alim./conc. et
la pression osmotique de sortie (perméat).
Pression efficace :
Différence entre la pression transmembranaire moyenne
appliquée et la pression osmotique moyenne transmembranaire
(force motrice réelle du transfert de matière).
Perméabilité (hydraulique) :
C'est le flux par unité de pression efficace.
Exprime la performance de la membrane en terme de
pénétration de l'eau, et permet de déterminer et
suivre l'état de colmatage des membranes.
Taux de conversion :
C'est est un concept qui s'applique à tous les
procédés à membranes : il correspond à la
fraction de l'eau d'alimentation convertie en eau traitée.
C'est donc le rapport entre le débit de perméat et le
débit d'alimentation
(Qp/Qa).
Ce taux varie de 20% à 50% pour le dessalement de l'eau de mer
par OI (il est limité par la forte pression osmotique).
Il atteint un maximum de 80% à 95% lors du traitement par NF,
OI ou ED de l'eau saumâtre ou douce (les limites du
procédé étant dues au potentiel d'entartrage du
concentrât).
Taux de passage (TP) :
Rapport entre la concentration (massique) dans le perméat
et celle dans l'eau d'alimentation
(Cp/Ca)
Taux de rétention (abattement) : 1 - TP
Principe de base.
Les membranes sont des barrières filtrantes
semi-perméables à fines pellicules. On utilise, en
traitement de l'eau, des membranes synthétiques pour
éliminer différents solutés et particules de
tailles différentes.
Cinq procédés par membranes sont utilisés :
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Soit,
Microfiltration, Ultrafiltration et Nanofiltration : filtration sous
pression faible.
Osmose inverse : filtration sous pression
élevée.
Rappel : l'osmose est un phénomène de diffusion
entre deux solutions de concentration différente, à
travers une membrane perméable ou semi-perméable. Le
solvant passe de la solution la moins concentrée vers la plus
concentrée; la substance dissoute suit le trajet inverse.
On inverse le processus en appliquant une pression
supérieure à la pression osmotique.
Électrodialyse : filtration sous l'effet d'un potentiel
électrique, qui permet la migration et la séparation
des espèces ioniques à travers des membranes de
polarité différentes.
:en micromètre ou millionième de mètre
(µm) est variables,
La microfiltration (MF), l'ultrafiltration
(UF), la nanofiltration (NF) et l'osmose inverse (OI) sont souvent
présentées comme étant des
procédés à base de pression.
Elles sont en fait différentes. La MF est un prolongement
direct de la filtration conventionnelle qui permet d'enlever des
particules de moins d'un micron, donc des colloïdes et des
bactéries.
L'UF va plus loin, car on peut, grâce à ce
procédé, enlever des virus et des composés
organiques de poids moléculaire important. Ces deux
procédés fonctionnent par tamisage et la
séparation dépend donc, de la taille des pores et des
espèces retenues.
En NF et OI, par contre, les pores ne sont pas visibles. Le
degré de rétention des solutés inorganiques et
organiques est fonction de leur solubilité et de leur
diffusivité dans la membrane.
Le phénomène de rétention dépend beaucoup
aussi de la charge nette sur la surface de la membrane.
L'OI ne peut être pratiquée qu'à des pressions
plus élevées que les pressions osmotiques de
l'eau d'alimentation. Alors que la pression osmotique des eaux
saumâtres est relativement faible (1,4 et 3,4 bars pour 4,0 g/I
de solution de sulfate de calcium et de chlorure de sodium), celle de
l'eau de mer est relativement élevée (27 bars pour 3 5
g/I de chlorure de sodium).
L'ED est un procédé
fondamentalement différent. Plutôt que de faire passer
l'eau à travers la membrane, les ions migrent à travers
la membrane sous l'effet d'un potentiel électrique.
Des membranes micro-poreuses positives et négatives sont
empilées en alternance avec des électrodes, pour
définir les compartiments qui seront enrichis ou
débarrassés des sels.
Le rôle de l'ED se limite à l'élimination des
espèces ioniques. Il existe une version modifiée de
l'ED, appelée "reversal electrodialysis" qui consiste à
renverser la polarité des électrodes à
fréquences déterminées, afin de minimiser
l'entartrage ou le colmatage.
Sélection du
procédé.
La figure simplifiée suivante permet de mieux comprendre
comment sélectionner le meilleur procédé
à membranes selon des critères de qualité et de
traitement donnés (adapté d'un article de Bergman et
Lozier,1993).
Si l'objectif à atteindre lors du traitement, est d'enlever
simplement les matières en suspensions, la
microfîltration est le procédé de choix.
A la technique de la microfiltration, on peut
préférer l'ultrafiltration à grands pores
, dont le seuil de coupure se situe entre 20 000 et 100 000 Daltons,
ceci pour éliminer plus efficacement les virus, si l'on
accepte des flux moins élevés.
S'il est nécessaire d'enlever des
substances organiques dissoutes, on doit connaître leur poids
moléculaire. Pour une eau colorée contenant des
substances humiques dont le poids moléculaire est
supérieur à 10 000 Daltons, on choisira
l'ultrafiltration à petits pores .
En ce qui concerne la nanofiltration, le seuil de coupure
se situant environ à 300 Daltons, les membranes de NF
enlèvent une partie importante de la matière organique
dissoute.
La nanofiltration s'avère être le procédé
de choix si les besoins d'élimination des composés
inorganiques sont limités aux ions divalents, comme c'est le
cas pour l'adoucissement.
Le dernier point
permet de choisir entre l'électrodialyse et l'osmose
inverse, par rapport aux besoins d'élimination des sels.
Le choix de l'ED se base principalement sur des critères de
consommation d'énergie. En ED, la perte irréversible
d'énergie est proportionnelle à la quantité des
sels à enlever, ce qui n'est pas le cas en OI. Par
expérience, on sait que la concentration en sels à
partir de laquelle l'OI devient moins chère que l'ED est
d'environ 3 à 5 g/1.
Mais d'autres considérations peuvent être
déterminantes dans le choix de l'ED :
Bien sûr, s'il est
nécessaire d'enlever des produits organiques à
faible masse moléculaire, la seule solution est alors
d'utiliser l'OI.
Par ailleurs, il est bien évident que l'on peut
atteindre un niveau de traitement donné, en associant des
procédés par membranes (surtout la MF et l'UF) avec des
procédés conventionnels, tels que l'adsorption par
charbon actif, la coagulation et l'oxydation chimique et
biologique.
Citons à ce propos des technologies modernes de dessalement
par osmose inverse (industrielles), et
d'énergies renouvelables, qui utilisent le solaire
(par le photovoltaïque), et sans
batterie,, telle par exemple la société Mascara
Renewable Water (France, United Arab Emirates et
Maurice).
Membranes.
Les membranes d'OI, de NF et d'ED sont disponibles sous trois
formes :
- des membranes planes,
- des tubes à grand diamètre,
- des fibres creuses.
Il y a deux types de fibres creuses:
- des fibres creuses fines dont le diamètre extérieur est inférieur à 0,2 mm et dont l'écoulement se fait de l'extérieur vers l'intérieur,
- des fibres creuses capillaires dont le diamètre extérieur varie entre 0,2 et 2,0 mm et dont l'écoulement s'effectue aussi bien de l'extérieur vers l'intérieur que de l'intérieur vers l'extérieur.
Il a d'abord été fabriqué des films
homogènes d'acétocellulose (AC) dont la
rétention des sels était acceptable, mais dont les flux
étaient trop faibles pour être d'une quelconque
utilité.
Une percée dans le domaine a été
effectuée lorsqu'il a été créé
(Loeb et Sourirajan) une membrane asymétrique avec une fine
couche séparative qui améliorait en même temps la
rétention des sels et le flux. Ces membranes ont
été commercialisées à la fin des
années 60.
Elles sont maintenant vendues sous forme de membranes planes, de
fibres creuses et de forme tubulaire.
Étant chimiquement peu stables, les membranes AC doivent
être utilisées dans une gamme de pH limitée (4,0
à 6,5) et à une température relativement basse
(jusqu'à 35°C), sinon l'hydrolyse finit par causer une
diminution du taux de rétention des sels. Elles sont aussi
sujettes à des attaques biologiques, ce qui est cependant
compensé par leur capacité à être
continuellement exposées à de faibles teneurs de
chlore. A l'heure actuelle, la demande pour les membranes AC est
toujours forte, parce qu'on les trouve facilement (brevets dans le
domaine public) et qu'elles sont peu onéreuses.
La société DuPont a
développé et commercialisé des membranes en
polyamide aromatique (Aramid) sous forme de fibres creuses
fines, à la fin des années 60. Un seul module contient
des centaines de milliers de ces fibres creuses qui peuvent aussi
bien servir au dessalement de l'eau de mer que de l'eau
saumâtre.
Les deux tiers des installations de dessalement de l'eau de mer par
membranes se font avec des fibres creuses fines (Wangnick Consulting,
1994). Environ un tiers des installations de traitement de l'eau
saumâtre sont aussi équipées de fibres
creuses.
La stabilité chimique des membranes Aramid est excellente par
rapport à celle des membranes en cellulose. Si elles ne
supportent pas le chlore, en revanche elles sont insensibles à
toute attaque biologique. Elles peuvent être utilisées
dans une gamme de pH de 4 à 9 et à des
températures allant jusqu'à 40 °C.
La conception des premières membranes composites date
de 1966. Leur commercialisation date du milieu des années 70.
Une barrière ultra fine (i.e. 0,2 µm) est formée
à la surface d'une membrane microporeuse qui a
été montée sur un support tissé
poreux.
La plupart de ces membranes composites sont fabriquées par
polymérisation interfaciale. Ce sont, à l'heure
actuelle, les membranes les plus répandues sur le
marché (étude de Petersen, 1993)
En général, les membranes composites sont chimiquement
et biologiquement stables. Soumises à des pressions
modérées, leur flux et leur taux de rétention
des sels restent élevés. Elles peuvent être
continuellement soumises à une grande variété de
pH et des températures allant jusqu'à 45° C.
Cependant, leur résistance aux oxydants est en
général faible, à l'exception du polysulphone
sulfoné.
Les membranes de nanofiltration sont dérivées
des membranes d'osmose inverse. La première installation de
membranes de nanofiltration a été créée
au milieu des années 70 en Floride, afin de
déminéraliser partiellement les eaux souterraines, ce
qui se faisait jusqu'alors par adoucissement à la chaux
(McClellan, 1994).
A la fin des années 70, six petites stations ont
été équipées en membranes d'OI
modifiées en acétocellulose. Il a été
redécouvert les avantages de la nanofiltration, à la
fin des années 80. Cette fois-ci, l'utilisation de membranes
composites permettait de traiter la couleur et la dureté des
eaux souterraines de cette région des USA
(Floride).
Un échantillon représentatif des membranes de NF, disponibles sur le marché, est présenté au tableau suivant (tiré de la documentation fournie par les fabricants) :
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La figure suivante présente les modules par rapport à leur compacité et à la vitesse de balayage de l'eau brute, afin d'illustrer les choix de conception, selon les différents types de modules :
Un module spiralé (figure suivante) comporte une ou plusieurs pochettes de membrane collées sur un tube de passage du perméat et enroulées sous forme spiralée autour de celui-ci. Ces pochettes consistent en deux feuilles de membranes et, intercalé entre celles-ci, un espaceur, un filet fin récoltant le perméat. Les deux feuilles sont attachées par des joints de colle sur trois bordures, le quatrième côté étant collé sur le tube de perméat par lequel il est évacué. Les couches actives de NF se trouvent à l'extérieur des pochettes. Celles-ci sont séparées entre elles par des espaceurs, eux aussi sont une sorte de filet. Ces espaceurs ont deux fonctions, former un espace pour la circulation tangentielle de l'eau du côté alimentation et promouvoir des turbulences dans cet écoulement.
Les modèles tubulaires
assurent une excellente distribution du débit et une grande
vitesse de balayage, ce qui minimise la polarisation de concentration
et les conditions de prétraitement, mais représente,
par contre, des coûts de pompage élevés. C'est
pourquoi on utilise d'ordinaire les modules tubulaires pour des
opérations spécialisées, lorsque les
débits sont faibles.
A l'opposé, les modules à fibres creuses fines
assurent une très grande compacité associée
à une vitesse de balayage très faible. En
conséquence, il ne doit pas y avoir, dans l'eau à
traiter, de particules en suspension ni de colloïdes qui
pourraient s'accumuler dans le faisceau de fibres creuses. Les flux
doivent être faibles pour minimiser la polarisation de
concentration.
Il est possible de trouver un compromis entre ces deux sortes de
modules grâce aux modules plans et aux modules spirales, tous
deux conçus pour des membranes planes. Les espaceurs
d'alimentation assurent un bon brassage à la surface de la
membrane, avec une vitesse d'alimentation relativement
faible.
Le modules spiralés sont prépondérants en
NF et OI.
Fabriquer un module spiralé est
une tâche relativement complexe qui se fait, pour l'essentiel,
manuellement. Un fabricant a cependant créé une machine
qui fabrique automatiquement des modules de 8x40 pouces.
La surface filtrante par module a ainsi pu augmenter (passant de
30m² manuellement à 37 m²) en diminuant la largeur
des lignes de colle. La régularité dans la fabrication
et la qualité du produit se sont améliorées.
D'autres fabricants rapportent des progrès dans le domaine des
fibres creuses utilisées en NF et en OI; sur les modules
à fibres creuses fines en polyamide aromatique
résistantes au chlore et les modules à fibres creuses
capillaires à peau interne. Deux fabricants mentionnent qu'ils
développent des membranes de NF (en céramique et
organiques) sur un support tubulaire en céramique.
Il semble que les Recherches et Développements concernent
surtout sur les NF et OI.
Les perfectionnements portent sur la résistances des membranes
(chlore, solvants, acides et bases).
Conception et
opération.
Ce chapitre passe en revue un système de membranes, du
point de vue de la conception et de l'opération. Pour toute
information générale, le lecteur doit se
référer aux manuels pratiques sur l'ED, L'EDR, l'OI et
la NF, que l'American Water Works Association a publié en
1995.
Ce chapitre traite surtout de l'OI et de la NF.
Raccourcis pour ce chapitre :
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Eau souterraine |
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Élimination des ions
de la solution |
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Désinfection
chimique |
Pour empêcher les matières colloïdales de colmater les membranes, il faut utiliser de l'eau qui a peu de risque de colmater :
C'est encore la méthode la
plus simple et la moins onéreuse. Normalement, lors du
traitement des eaux karstique (eaux se trouvant dans des
régions à relief calcaire (karst), dans lesquelles les
roches forment d'épaisses assises et sont dissoutent par ces
eaux) ou des eaux souterraines classiques, les particules et les
colloïdes sont éliminés par les
procédés courants de clarification et de filtration sur
sable.
L'indice de colmatage approuvé
par l'industrie s'appelle le Silt Density Index
(SDI)
(> pages de précisions).
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Parce que ce test se fait,
normalement manuellement, et qu'il est trop souvent imprécis ,
il se développe des instruments automatisés.
Il a été proposé (Schippers et Verdouw)
d'utiliser un indice de colmatage modifié, le Modified
Fouling Index (MFI), en se servant du même
équipement que pour le SDI.
Après un traitement conventionnel, on peut utiliser un
filtre à cartouche, dont le seuil de coupure varie
entre 5 et 25 µm. Celui-ci agit comme "fusible" pour
protéger les modules.
Les principaux ennuies viennent de l'entartrage des membranes
provoqué par les sels calciques : carbonates et sulfates.
Pour éviter ou réduire ces problèmes, on peut
:
De plus, pour pour prévenir la
précipitation des sels du concentrat, on peut ajouter des
sequestrants.
Autre problème : le colmatage biologique, par les
développements bactériens sur la surface membranaire
(formation d'un biofilm). Dans ce cas, il est nécessaire de
désinfecter l'eau en amont par chloration ou UV, mais si les
membranes sont sensibles au chlore, ce traitement doit être
suivi d'une déchloration au bisulfite ou d'une adsorption sur
charbon actif.
Traitement.
Le traitement par membranes comprend :
Dans le traitement de l'eau de mer
par OI, le problème majeur auquel il faut faire face est la
corrosion du circuit à haute pression. Nordstrom et Oisson
(1993), qui ont étudié 27 stations, en ont conclu que
ni l'acier inoxydable 316L ni le 317L n'étaient suffisamment
résistants à la corrosion, pas plus que les alliages
à haute teneur (2205 et 904L par exemple). Cependant, aucun
des aciers 254 SMO utilisés dans 16 des 27 stations n'avait
souffert de corrosion.
On trouve dans un article (Brandt et al,1993) un guide de
sélection des pompes et des systèmes de
récupération d'énergie. Pour une station d'OI,
la récupération d'énergie est pratiquée
lorsque le débit est supérieur à 1000
m3/j, lorsque le taux de conversion est inférieur
à 80% et que la pression du concentrât est
supérieure à 20 bars.
Le taux de conversion d'un module unique varie entre 7% pour un
module spirale d'OI pour l'eau de mer et 75% pour un module à
fibres creuses pour l'eau saumâtre. Le taux de
conversion-système pour des modules à fibres creuses
fines est obtenu en utilisant un seul étage de modules. Le
taux de conversion-système avec modules spirales est obtenu en
plaçant plusieurs modules en série (4 à
7) dans des tubes pression (carters), qui sont eux-mêmes
arrangés en série parallèle, sous forme de
pyramide inversée.
La conception d'une unité de membranes se trouve grandement
simplifiée, grâce aux programmes de conception par
ordinateur qui sont proposés par les fabricants de
membranes.
En général, ces programmes permettent au concepteur de
:
Si ces programmes prédisent
avec précision le taux de passage des sels en OI, ce n'est pas
le cas en NF. L'Université de Floride centrale a
effectué les travaux les plus importants sur la
modélisation de la nanofiltration (Taylor et al, 1993;
Duranceau, 1990). Cette équipe a mené, avec des
chercheurs de Kiwa (Pays-Bas), un projet de modélisation de la
nanofiltration, grâce à des fonds de l'American Water
Works Association Research Foundation.
Quand il n'est pas possible de modéliser les
procédés par membranes, il faut faire des essais. Il
n'est normalement pas nécessaire de faire des essais en OI
pour l'eau saumâtre ou l'eau de mer, lorsque l'alimentation se
fait par puits de plage ou par de l'eau souterraine.
C'est, par contre, presque toujours nécessaire en NF, ou
lorsque l'eau brute est une eau de surface.
Les essais en laboratoire (opération par cuvée)
permettent de cerner le degré de faisabilité, de
développer des critères de conception, de
pré-qualifier des membranes ou de diagnostiquer un
système existant.
Les essais pilote (opération continue) permettent de
cerner les risques de colmatage, les besoins en prétraitement
et en nettoyage des membranes.
Point sur la durée de vie des membranes : la plupart des
fabricants offrent des garanties de 3 à 5 ans (Buros et
Bergmann, 1993). Les coûts d'opération sont, en
principe, calculés sur une durée de vie de 3 à 5
ans. Il y a plusieurs exemples, néanmoins, de membranes ayant
eu une durée de vie de 5 à 7 ans (Birkett, 1988).
Ce sont les membranes d'OI de la station d'Indian River Plantation
qui détiennent probablement le record de
longévité : 15 ans (Hendershaw et al, 1994). Si la
durée de vie d'une membrane est courte, c'est qu'elle a subi
un prétraitement inadéquat ou un accident. De
nombreuses membranes sont détruites par le chlore lorsque le
système de déchloration tombe en panne.
Dans une installation typique, seul le chlore peut détruire
une membrane instantanément. La plupart des systèmes
évoluent tellement lentement qu'il est difficile de
détecter les problèmes potentiels. C'est pourquoi la
surveillance constante de l'eau et la normalisation des
données sur le fonctionnement du système
(c'est-à-dire, correction de la température,
concentration) sont des facteurs importants dans l'opération
du système.
(nettoyage des
membranes)
Nettoyage des
membranes.
Toutes les stations équipées de membranes sont pourvues
d'un système de nettoyage en place, car les membranes doivent
être nettoyées chimiquement à intervalles
réguliers, même si la source d'alimentation ou le
prétraitement sont excellents. Lorsque les membranes sont
utilisées dans l'industrie alimentaire ou de la boisson, on
les nettoie tous les jours, au détriment de leur durée
de vie. En traitement de l'eau, on les nettoie tous les mois lorsque
l'eau d'alimentation est une eau de surface. Lorsque l'eau
d'alimentation est souterraine, on les nettoie
annuellement.
Amjad et al (1993) ont passé en revue dans leur article les principales causes de colmatage et les produits chimiques qui permettent de les éliminer: acides, alcalins et complexants. Ces produits sont disponibles auprès de plusieurs fournisseurs.
Les conditions dans lesquelles se
passe le nettoyage sont importantes. Durham (1993) préconise
d'utiliser de l'eau tiède, de nettoyer un étage
à la fois, de maximiser le débit et de minimiser la
pression. On ne peut juger de l'efficacité du processus de
nettoyage que lorsque l'on a de bonnes données de
référence et que la surveillance s'effectue avec des
paramètres normalisés.
(post-traitement du perméat)
Post-traitement du
perméat.
Les méthodes de post-traitement du perméat,
présentées au tableau suivant, concernent les
procédés à membranes mais excluent les
étapes de désinfection ou d'addition d'inhibiteurs de
corrosion.
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Addition de produits chimiques |
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II est nécessaire de
dégazer pour éliminer l'acide carbonique (causé
par l'acidification en prétraitement) et l'hydrogène
sulfurée (H2S, souvent présent dans les eaux
souterraines) qui passent au travers des membranes d'OI et de NF.
Lorsque l'acide carbonique est présent seul, on dégaze
complètement une fraction du perméat que l'on
remélange à la fraction contenant du CO2, et
par neutralisation, en aval, pour obtenir l'alcalinité.
Lorsqu'il y a du CO2
et de l'H2S, il faut alors dégazer le débit
total et ajuster le pH en amont de l'unité de dégazage
afin d'éliminer totalement l'H2S (pH <6), tout
en conservant l'alcalinité (pH >6). Plutôt que
dégazer, on peut aussi oxyder au chlore de faibles
concentrations de H2S.
Il peut être nécessaire de reminéraliser
partiellement le perméat pour stabiliser et réduire
les phénomènes de corrosion.
Lorsque l'eau d'alimentation est de bonne qualité, dans le cas
où l'eau est saumâtre, on pratique souvent le mitigeage
(mélange d'eaux).
Lorsqu'il n'est pas possible de pratiquer le mitigeage, on peut
stabiliser le perméat en ajoutant de la chaux, du carbonate de
calcium, du carbonate de sodium ou de la soude. On ajuste le pH afin
d'obtenir une eau légèrement entartrante
(sur ce sujet, voir : Eau Potable > Équilibre calco-carbonique).
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