Potabilisation des eaux
 ...Traitements spécifiques

Les traitements dits spécifiques sont des traitements utilisés en potabilisation des eaux (eaux de consommation) concernant certains éléments particuliers , ions ou molécules dissoutes.

Il s'agit ici des procédés physico-chimiques : pour les traitements biologiques spécifiques, faites Retour, puis Traitements biologiques.

Certains traitements (échange d'ions par exemple) peuvent être utilisés sur des types d'eaux différents de la potabilisation : eaux industrielles en particulier.













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Adoucissement.
Raccourcis pour la suite de ce chapitre sur l'adoucissement :
Dureté carbonatée
Dureté non carbonatée
Nota : revoir éventuellement, les recommandations sur la dureté et les équilibres calco-carboniques, ici

Remarques préliminaires. Rappel :

Lorsque l'eau est utilisée en distribution ou pour le refroidissement d'unités diverses, la moindre élévation de température provoque la décomposition de ces sels avec une formation, en particulier, de carbonate de calcium insoluble, générateur de dépôts, d'entartrage et finalement d'obstruction des tuyauteries.
En chaudière, dans le cas d'un traitement de l'eau d'alimentation par simple adoucissement, les bicarbonates de sodium de l'eau permutée se décomposent en carbonate et en hydroxyde, d'où l'augmentation très rapide de l'alcalinité et par suite des purges de déconcentration, formation considérable d'une quantité d'acide carbonique qui attaque tous les circuits de vapeur et d'eau condensée, provoquant leur mise hors d'usage au bout d'un très bref laps de temps.

A noter :
L'adoucissement concerne la réduction des duretés carbonatées et non carbonatées.
Selon le procédé utilisé, nous aurons donc :

Les différents procédés d'abaissement des duretés sont :

Il ne sera question dans ces pages, que des procédés par décarbonatation et d'échanges d'ions (adoucisseurs) qui sont à l'heure actuelle les plus fiables et /ou économiques.

1 - Principe de la décarbonatation - Réduction de la dureté carbonatée (TH et TAC)
Raccourci >

Mise en oeuvre des traitements (décarbonation simple et compacte)

Principe du traitement à la chaux
(avec la soude voir ici)
L'introduction de chaux éteinte Ca[OH]2, entraîne les réactions simultanées :
(précipitation sous forme de carbonate de calcium CaCO3)

Ca[OH]2 (74 mg) + Ca[HCO3]2 (40 mg de Ca ou 10°F) >>> 2 CaCO3 (2x100=200 mg) + 2 H2O
(donc, pour réduire le calcium de 1°F (4 mg), il faut 7.4 mg (74/10) de chaux éteinte Ca[OH]2,
et il se forme 20 mg
(200/10) de carbonate de calcium CaCO3 qui précipitent)

A noter que la réduction de la dureté carbonatée magnésienne (TH Mg) n'est réalisable uniquement qu' à pH > 9,5.

Cette réaction peut se poursuivre jusqu'à un degré TAC (ou TH) résiduel de 1,5°F .

Mais aussi,

La quantité totale de réactif nécessaire est donc (en produit pur 100%) :

Ca[OH]2 (mg/l) = 7.4 [ D dureté carbonatée + D dureté carbonatée magnésienne + D(CO2/4.4) ]

avec, CO2 en mg/l et duretés en °F, et D correspondant à l'écart entre les valeurs initiales et finales.

A noter l'évolution du TAC au cours de la réaction :

TAC final (°F ) = (TAC initial - THCa éliminé) + [10°F / 88]CO2 libre éliminé

avec, TAC et THCa en °F, CO2 libre en mg/l.

Lorsque la décarbonatation et l'adoucissement maximaux sont atteints, on a TAC = 2 TA.

Le tableau ci-après rappelle les quantités théoriques et pratiques de réactif nécessaires, ainsi que le poids de carbonate formé (sans tenir compte du CO2 libre) :
Réduction dureté carbonatée :
Pour abaisser de 1°F, il faut (en mg/l)

Quantité de CaCO3 précipité

Ca(OH)2 pur
Produit commercial

par °F
par mg Ca(OH)2
mg
7.4
7.4/pureté*

20
2.7
* ( % de pureté/100)

 En pratique et en première approche, on peut utiliser la formule suivante :

Chaux (en gramme par mètre cube d'eau) = 10 x D THCa

---------------------------------------------------------------------

Principe de la décarbonatation à la soude :
(nous avons les réactions successives suivantes)

2NaOH (2x40=80 mg) + Ca[HCO3]2 (40 mg Ca ou 10°F) >>> CaCO3 (100 mg ou 10°F) + Na2CO3 (106 mg) + 2H2O

(1) > précipitation de carbonate de calcium CaCO3 et formation de carbonate de sodium.

puis,

Na2CO3 (106 mg) + Ca[HCO3]2 >>> CaCO3 (100 mg ou 10°F) + 2 NaHCO3 (84x2=168 mg ou 10°F)

(2) > précipitation de carbonate de calcium CaCO3 et formation de bicarbonate (hydrogènocarbonate) de sodium.

Nota : le carbonate de sodium Na2CO3 formé, peut aussi réagir sur la dureté permanente suivant les réactions ci-dessous (toutefois seulement à pH élevé) :

CaSO4 + Na2CO3 >>> CaCO3 + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 >>> CaCO3 + NaCl

Et aussi, il y a neutralisation du CO2 libre :

NaOH (40 mg) + CO2 (44 mg) >>> NaHCO3

(soit, 0.91 mg NaOH utilisée par mg de CO2 neutralisé)

Taux de soude théorique pour adoucir.
(par rapport aux réactions 1 et 2)

Pour une mole de NaOH on élimine :

et si l'on raisonne en milliéquivalents, il y a donc diminution de 2° TH pour 1° TAC.

Pour précipiter 1°F de Ca, il faut donc 0,1 mmole/l de NaOH soit 4 mg/l de soude pure 100%.

D'autre part la soude injectée neutralise le CO2 libre présent dans l'eau :

CO2 + NaOH >>> NaHCO3

Pour neutraliser 1 mg de CO2 libre, il faut 0.91 (40/44) mg de soude (pure 100%).

On en déduit l'expression théorique du taux de soude total à appliquer (g/m3) :

Taux NaOH (mg/l) = (4 x DTHCa) + (0,91 x D CO2)

avec, THCa en °F et CO2 en mg/l.

A noter l'évolution du TAC au cours de la réaction :

TAC final (°F) = (TAC initial - 1/2THCa éliminé) + [5 °F / 44]CO2 libre éliminé

avec, TAC et THCa en °F, CO2 libre en mg/l.

Le tableau ci-après rappelle les quantités théoriques et pratiques de réactif nécessaires, ainsi que le poids de carbonate formé
(sans tenir compte du CO2 libre) :
Réduction dureté calcique :
Pour abaisser de 1°F, il faut (en mg/l)

Quantité de CaCO3 précipité

NaOH pur
Produit commercial

par °F
par mg NaOH
mg
4
4/pureté*

10
2.5
* ( % de pureté/100)

 En pratique et en première approche, on peut utiliser la formule suivante :

NaOH (en gramme par mètre cube d'eau) = 5 x D THCa


Méthode de calcul.
Programme gratuit proposé par l'auteur : voir Programmes informatiques

Decarbo > calcul par tableur (feuille Excel),

ou EQUIL



2 -
Mise en oeuvre des traitements.
Raccourcis pour la suite de ce chapitre sur la décarbonatation :
Décarbonatation avec décantation accélérée

Décarbonatation avec décantation classique.
Les réactifs utilisés sont :

Le traitement peut-être combiné pour les eaux de surface avec le traitement classique de clarification au chlorure ferrique. En ce cas, deux mélanges rapides sont prévus :

Les figures suivantes représentent schématiquement différents types de décanteurs utilisés pour ce genre de traitement.

DECANTEURS RACLES POUR DÉCARBONATATION A LA CHAUX

 

 Notons :

- Le problème majeur est celui de l'élimination des boues qui, en fait, n'est correctement assurée que dans les ouvrages plats équipés d'un racleur qui dirige les boues vers une trémie centrale de collecte.

- Il y a intérêt à prévoir l'ensemencement de l'eau brute additionnée de réactif en cristaux déjà formés de carbonate de calcium. Cette opération est effectuée soit dans le voile de boue qui s'établit dans ces décanteurs à flux vertical, soit par aspiration, à l'aide d'un hydro-éjecteur, d'une certaine quantité de boue formée (dec. types Degrémont).
- L'eau décantée doit être filtrée.



> Lien vers les pages de téléchargement de programme de dimensionnement (Decarbo-cata),

Retour : Décarbonatation avec décantation classique

Décarbonatation avec décantation accélérée (ou adoucissement compact).
Ces procédés, valables seulement pour les eaux souterraines ou de turbidité très faible , consistent à faire passer de l'eau brute additionnée de chaux dans un "réacteur", rempli d'un matériau granulé fin, qui retient le carbonate de calcium par dépôt catalytique sur ces grains (marbre, microsable,etc).

A la sortie de l'appareil, l'eau est filtrée.

A noter ce qui suit :

L'appareil ne fonctionne correctement qu'à débit constant continu.

Tout le carbonate de calcium cristallise sur un matériau qui joue le rôle de germe de cristallisation.

Principe de fonctionnement :
La sursaturation nécessaire à la cristallisation est donc obtenue en augmentant le pH par ajout de soude diluée, dans le bas du réacteur.
Les grains du matériau (marbre ou silice) jouent le rôle de germes de cristallisation autour desquels se développe le réseau cristallin de CaCO3.
On obtient donc des "billes" de tailles variables suivant leur temps de séjour dans la zone de réaction.
On soutire périodiquement les billes ayant atteint leur taille optimale.

Par rapport aux procédés d'adoucissement industriel utilisés actuellement qui mettent en oeuvre le lait de chaux la décarbonatation à la soude présente de nombreux avantages :

Schéma de principe :


 



> Lien vers les pages de téléchargement de programme de calcul et/ou de dimensionnement (Decarbo-cata),
> Lien vers OTV (Veolia Water Technologies) qui propose ce type de procédé ou pdf > ActinaTM .


Réduction de la dureté non carbonatée
Méthode par précipitation.
On précipite sous forme de carbonate de calcium CaCO3 , par le carbonate de sodium Na2CO3.
La réaction peut être la suivante :

 

Ca (A-) + Na2CO3 = CaCO3 + Na2(A-)

Nota : (A-) correspond à l'anion associé, SO4 par exemple pour le traitement des eaux séléniteuses.

Quantité pratique de carbonate de soude nécessaire (en g/m3) = 11 x D TH
(en première approche)


Méthode par échange d'ions.
Voir éventuellement, par ce lien, les principes généraux de l'échange d'ions.
 
Principe de l'adoucissement sur résines échangeuses d'ions.
Percolation de l'eau à adoucir sur une résine cationique qui se trouve sous forme Na+ (saturée par du sodium) : les cations, principalement le calcium (Ca2+) et le magnésium
(Mg2+) sont fixés sur la résine (avec R le squelette de la résine ), qui libère le cation sodium (Na+).

[C+, A-] ......+...... R-Na+ >>>>>>>>>>>>>>> R-C+.....+.......... [Na+, A-]
eau
résine, forme Na
>>>>>>
ions fixés
ions libérés
Nous avons donc, plus précisément :

 

La phase d'épuisement (production) sera suivie d'une phase de régénération, soit

R-(Ca+/ Mg+) + Na+,Cl- >>>>>>>>>>>>>>> R - Na+ + Ca+,Cl- / Mg+,Cl-

(résine saturée)
(saumure, NaCl)
>>>>>>>
(résine régénérée)
(rejets, éluats)

 

Les capacités totales des résines sont de l'ordre de 1,9 à 2,2 équivalents par litres de résine (9 500 à 11 000 °F/L).
Les capacités utiles sont fonction du sens et du taux de régénération employés et de l'analyse de l'eau à traiter.
Les fuites ioniques sont également fonction des éléments de l'eau à traiter et des quantités de régénérant.
A noter que la régénération à contre-courant du sens d'épuisement permet un gain substantiel en capacité et en fuite de dureté.


Exemples de capacités utiles, qui sont fonction :

(exemple donné : Résine HP 111E (Imac™ HP de Rohm & HAAS - lien web), remplacé par HP1110 Na ).

   






Capacités
(en équivalents par litre de résine)

Facteur de correction C
(fonction de la dureté totale)
TH (dureté en meq/litre)
C
<5
1.00
10
0.97
20
0.92
Facteur de correction D
(fonction de la hauteur de couche)
Hauteur (mm)
D
1000
0.92
1500
1.00
2000
1.09
2500
1.15


 

Exemples de fuites ioniques, en fonction des taux de régénération, du sens de celle-ci (co ou contre-courant), de la salinité totale et de la teneur en sodium (facteurs de correction A & B)



Facteur de correction A
(fonction de la salinité totale)
Salinité (en meq/litre)
A
<10
1.0
15
1.9
20
3.0
Facteur de correction B
(fonction de la teneur en sodium)
Sodium (% Na)
B
<=5
1.0
10
1.3
20
1.6
30
1.9

 


Eléments de calculs.
Rappel : 1 eq/litre = 5000 °F/litre (1 meq = 5 °F ou 1 °F = 0.2 meq)
minéralisation en meq/l = minéralisation en mg/l / 75,86 (formule approchée).

La fuite moyenne est obtenue en multipliant la fuite de base (voir graphes ci-dessus) par les facteurs de correction A et B (tableaux), soit : Fuite moyenne = fuite de base x A x B

Le mode et le taux de régénération choisis permettent de déterminer au moyen des figures une capacité utile de base qu'il faut multiplier :

donc : Capacité utile = cap. utile de base x C x D



Exemple :
Analyse de l'eau à traiter en adoucissement :

Données :

Résultats :
- Capacité utile (pour le taux et le sens de régénération choisi) : 1,2 x 0,95 (C) x 1,0 (D) = 1,140 eq/litre de résine R , ou 1140 meq/l R (5 700 °F/litre R),

- Fuite moyenne (en sortie de l'échangeur) : 0,010 x 1,9 (A) x 1(B) = 0,019 meq/l (ou 0,095 °F),

- Calcul d'un by-pass de l'eau brute (partie du débit non traitée) :



Débit eau traitée (m3/h) :

Débit total (m3/h) x (dureté entrée - dureté désirée)
————————————————————
(dureté entrée - dureté en sortie)

soit,

Débit total d'eau traitée :

50 x (40 - 12)
—————— = 35,083, arrondi à 35,1 m3/h (soit, 70,2 % du débit total)
(40 - 0.095)

Débit total de by-pass (eau brute dérivée donc non traitée) :

(débit total de production - débit d'eau traitée)

50 - 35,1 = 14,9 m3/h (soit, 29,8 % du débit total).

 

Volume de résine (VR) :
Nota : si l'on prend comme base, une régénération pour un cycle de production d'eau traitée de 20 heures, nous obtenons un volume d'eau traitée de 702 m3 par cycle (35,1 m3/h x 20) ou 702 000 litres.

VR = [eau traitée (m3/h) x durée de cycle (h) x 1000 x D dureté (°F) ] / capacité utile (°F/ l R)

avec D dureté = (dureté entrée - dureté en sortie), VR en litres

soit,

VR = [35,1 x 20 x 1000 x (40-0,095)] / 5700 = 4914,62 litres
> 4 915 litres (arrondi au litre supérieur), ou 4,915 m3

 NB - ions échangés (eau brute>résine) = (40-0,095), en °F = 39,905 ou en meq : (8-0,019) = 7,981 meq/l
et ions totaux à fixer (pendant un cycle) = (7,981 x 702), en equivalents = 5602,662 eq.

A noter que la charge volumique (production d'eau traitée) sera de 7,14 V/V (35,1/4,915)
[Vol eau (m3/h) /Vol R]

Analyse de l'eau en sortie d'échangeur :

Nota : nous pouvons constater que ce traitement à ajouté 128,8 mg/l de sodium (environ) à la teneur existante dans l'eau de départ (10 mg/l).
Dimensionnement des échangeurs :
- si l'on choisi une hauteur de résine de 1,50 m (pour VR=4,915 m3), on obtient une section circulaire intérieure d'un bidon (échangeur) de 3,277 m² (4,915/1.50), et donc un diamètre interne de 2,043 m
( racine² de [4 x 3,277 / p] ).

Choisissons (par exemple), deux bidons identiques, donc de volume de résine (unitaire) de 2,458 m3,
soit avec une hauteur inchangée de 1,50 m, une section de 1,638 m² et un diamètre de 1,444 m (1 444 mm) pour chaque bidon (ajouter la valeur de l'épaisseur pour les diamètres hors-tout).
Débit : (35,1/2)= 17,55 m3/h, et vitesse de passage [Q/S] : (17,55/1,638)= 10,71 m3/h/m² (m/h).

 





Quantité totale de sel (solution de chlorure de sodium à 100 gNaCl /litre eau)

Taux = 100 g/litre de résine ou 100 kg/m3 résine, soit :

(100 x 4 915 ) = 491 500 g NaCL ou 491,5 kg NaCl (pour la régénération totale des 2 bidons).

Volume total de solution (concentration à 100 gNaCl/l) = 4 915 litres de solution (4,915 m3),
soit 2 457,5 litres (2,4575 m3) de solution par bidon.

Temps de contact minimum de 30 mm > débit de régénération / bidon : (2,4575 / 30 x 60) = 4,915 m3/h

Rinçage :
Volumes de rinçage par bidon :
(à contre-courant)

Débit de rinçage par bidon :

Durée de rinçage :


Remarque finale :
Les eaux adoucies peuvent présenter un caractère agressif et/ou corrosif ; en effet le remplacement des ions calcium par des ions sodium, ne permet plus d'envisager un dépôt protecteur de carbonate de calcium (couche de Tillmans) ; et par ailleurs la présence de sulfates et/ou chlorures accélère les tendances corrosives des eaux vis à vis des métaux. C'est en partie pour cette raison, qu'il est conseillé, pour les eaux de distribution (et de chauffage) de ne pas descendre le TH en dessous de 5°F).

Contrôle du procédé :
La mesure de la dureté (TH total) est la méthode qui permet un suivi d'une installation d'adoucissement : mesure en sortie de bidon (fuite) et sortie de l'installation (après le mélange des eaux).
Ci-joint un exemple de courbe de suivi :



Méthode de calcul.
Programme gratuit proposé par l'auteur : voir Programmes informatiques

AdouEI (Adoucissement par Echanged'Ions)
> calculs par tableur (feuille Excel ou autres),

Nota : les calculs sont valables quel que soit le volume d'eau à adoucir, donc installation domestique ou industrielle (la connaissance des paramètres dimensionnels, physico-chimiques de l'eau et de la résine E.I. sont indispensables).


suite: voir Déferrisation

 








Fer (Déferrisation par la voie physico-chimique).
Formule : Fe - Masse molaire : 55,8470 g/mol
Nota : pour le traitemen tpar voie biologique du métal (voir ici)

Principales formes minéralogiques cristallines, dans la nature :
 

Types chimiques
Nom
Formule
Oxydes
Magnétite
Fe3O4
" "
Hématite
Fe2O3 (alpha)
" "
Goethite
FeOOH (alpha)
" "
Lépidocrocite
FeOOH (gamma)
" "
Limonite
2 Fe2O3,H2O
Sulfures
Troïlite
FeS
" "
Pyrite
FeS2
" "
Chalcopyrite
Fe2S3, Cu2S
Carbonates
Sidérite
FeCO3
Silicates
Fayalite
Fe2SiO4

 


Les eaux à potabiliser
Les eaux à potabiliser proviennent soit d'eaux de surface, soit d'eaux souterraines.
Le fer se trouve généralement dans les premières sous forme dissoute et non dissoute alors que c'est sa forme dissoute qui, la plupart du temps, est présente dans les secondes, cependant d'autres cas de figure existent.
La grande majorité des eaux de surface en équilibre avec l'atmosphère est située dans une gamme de pH allant de 5,5 à 8,5 et un intervalle de potentiel redox compris entre 0,3 et 0,5 Volt. Ces quatre points extrêmes définissent sur le diagramme suivant une surface ABCD (zone stable) qui caractérise le domaine d'existence des eaux naturelles en équilibre avec l'atmosphère.

Nota
Ce rectangle ABCD représente le champ de stabilité des ions en milieu aqueux nature, c'est-à-dire, pour des pH compris entre 5,1 et 8.5. Ils sont le plus souvent sous forme soluble (ion ferreux Fe2+), le gaz carbonique présent dans les eaux souterraines favorisant la formation des formes solubles carbonatées :

FeCO3 + CO2 <<< >>> Fe(HCO3)2, (soluble)

(FeCO3 = carbonate de fer ou Sidérite)

On peut remarquer qu'une grande partie de cette surface est dans le domaine d'existence de l'hydroxyde ferrique Fe(OH)3 tandis qu'une faible partie seulement est dans le domaine des ions Fe solubles, ce qui explique :

Dans le milieu naturel les produits ferrugineux évoluent,car le transit (stockage et rivière) modifie notablement la composition de l'eau, et particulièrement la teneur en oxygène et l'équilibre calco-carbonique.

REMARQUES :

• Les conditions d'anaérobiose qui peuvent exister au fond des retenues d'eau favorisent la mise en solution du fer (milieu réducteur et présence de CO2).

• Par oxydation et action du pH, le fer Fe2+ peut s'oxyder en ion ferrique Fe(OH)3. (théoriquement, dans un intervalle de pH de 5 à 8, le potentiel varie de 0,55 à 0,1 v)

La réaction chimique se résume de la manière suivante :

Fe2+ + l/2O2 + H2O <<< >>> Fe(OH)3 + AH+

A NOTER :

- la quantité minimum théorique d'oxygène nécessaire pour oxyder 1 g de Fe2+ est de :

0,14 g O2 ou 0,104 litre d'O2 (1013,25 hPa, à 15 °C )

- la quantité d'air minimum (théorique) est donc de :

0,5 litre d'air (1013,25 hPa, 15 °C ) / g Fe2+

- une acidification du milieu se produit et tend à réduire la réaction d'oxydation, d'où un meilleur rendement à pH élevé et à fort taux d'oxygène.

- la vitesse d'oxydation sera donc d'autant plus grande que le pH sera élevé. Ainsi les durées d'oxydation (temps de contact entre O2 et Fe2+ seront d'autant plus grandes que le pH sera faible.

- dans les conditions standards, il n'est pas possible de traiter une eau dont le pH après aération sera inférieur à 7,2.

La figure suivante présente un diagramme donnant les temps de contact nécessaire pour l'oxydation (contact air/eau) en fonction du pH pour un rapport de air/eau = 10 % :

Nota : si le pH est inférieur à 7.2, on doit augmenter le débit d'air en conséquence pour garder un temps de contact limité.

Complexation.
Carbonates.
Dans les eaux profondes, la principale cause de dissolution du fer réside dans les fermentations du sol, le fer dissous étant essentiellement présent sous forme de bicarbonate. La solubilité dépendra alors de différents équilibres chimiques et en particulier, du carbonate ferreux Fe CO3. Pour un pH donné, la concentration en fer sera inversement proportionnelle à l'alcalinité.
La figure suivante donne la solubilité maximum théorique du fer ferreux (Fe2+) : 


Au voisinage de la neutralité la solubilité du fer ferreux sous forme de bicarbonate sera approximativement de :

Le plus souvent, ce sont les bicarbonates qui seront l'élément prédominant dans la solubilité du fer. Au cours du traitement, une élévation éventuelle de pH et/ou d'alcalinité diminuera la solubilité de ce métal lié à HCO3 (bicarbonates).
Si le TAC de l'eau est nul, et en l'absence d'hydrogène sulfurée (H2S) et d'oxygène, la solubilité du fer ferreux sera limitée, en fonction du pH, par la formation d'hydroxyde ferreux.

Silicates et phosphates.
Les silicates et les phosphates sont des complexants du fer ferrique et donc des inhibiteurs de déferrisation.
Les silicates et polyphosphates sont parfois utilisés pour empêcher la précipitation du fer ferrique dans les tuyauteries.
Les recherches et essais effectués dans ce sens nous donnent quelques indications pour résoudre certaines difficultés de traitement en déferrisation. Les difficultés (exceptionnelles) de déferrisation dues à une eau brute trop riche en silice peuvent probablement être surmontées par une floculation complémentaire avec une faible dose de chlorure ferrique. Ceci pourrait provenir de la nature anionique de l'ion complexe préalablement formé par le fer et le silicate, qui devient alors coagulable comme un simple colloïde.
Les silicates semblent plus efficaces que les phosphates (et polyphosphates) dans la séquestration du fer ferrique. Ces corps (silicates et phosphates qui sont par ailleurs bénéfiques en accélérant l'oxydation du fer ferreux) peuvent, lors des traitements de potabilisation, gêner la rétention du fer sur les filtres et faire apparaître de mauvais résultats d'exploitation. Les eaux brutes concernées sont relativement rares.

Matières organiques.
Le phénomène de complexation avec les matières organiques se rencontre surtout pour les eaux de surface et, exceptionnellement, pour les eaux souterraines. Les matières organiques proviennent, pour un lac, de sa productivité primaire mais aussi du lessivage du bassin versant.
On retrouve alors en solution des acides humiques, fulviques, tanniques, etc. ...

La nature des matières humiques peut être schématisée comme suit :

Les métaux, transportés sous forme anionique dans l'eau, sont réduits par ces acides pour donner des complexes ou des chelates sous forme cationique.

On trouve, entre autres, des complexes ferro et ferri-siliciques, ferriphosphoriques et humoferriques.
Un fort taux de fer résiduel restera dans l'eau, même si elle a été convenablement oxydée, tant qu'il aura des traces de ces matières organiques. Une bonne élimination du fer passera, dans ce cas, par un traitement des matières organiques (MO).

Sulfures.
Dans le cas des eaux contenant des sulfures (à des teneurs de l'ordre de 10-5 M soit 0,37 mg/l H2S), la solubilité du fer est régie par la solubilité de la pyrite FeS. A cette teneur, il est pratiquement impossible d'avoir du fer en solution.

Rappel : le traitement doit permettre de fournir une eau d'alimentation conforme aux normes européennes :


Procédés d'élimination du fer (en potabilisation).
Ce sont :

PRINCIPE DES TRAITEMENTS (GÉNÉRALITÉS).
Les traitements correcteurs sont basés sur l'oxydation de ces métaux sous forme insoluble en modifiant le potentiel d'oxydation et/ou le pH ou l'utilisation de bactéries spécifiques.
Principe chimique : passage de la forme dissoute du fer bivalent (Fe2+) à une forme précipitée [Fe(OH)3 ; FeCO3].
Les formes oxydées précipitent pour être retenues, soit en décantation, soit en filtration.
Dans les eaux naturelles, dont le pH est toujours supérieur à 4, le fer dissous ne peut exister que sous forme divalente (Fe
++ou fer ferreux).
Il suffit donc, en principe, de l'oxyder en fer trivalent (Fe
+++ou fer ferrique) insoluble dans les conditions de pH du milieu, pour obtenir sa précipitation et pouvoir le séparer.

<< Le problème n'est cependant pas aussi simple qu'il n'y paraît et la déferrisation est en fait un traitement délicat qui mérite beaucoup d'attention pour éviter des échecs retentissants >>

Le fer ferrique peut se trouver en effet (à des pH > 4), sous forme colloïdale. Il peut également former des complexes stables avec les matières organiques, la silice ou les phosphates. Dans tous ces cas, il faudra adopter des dispositions particulières pour déstabiliser les colloïdes et/ou détruire les complexes.
Il est donc parfois nécessaire d'avoir recours à la coagulation - floculation pour éliminer à la fois le fer et les matières organiques. Éventuellement il faut faire appel à un oxydant puissant, autre que la simple aération (oxydation par l'oxygène de l'air) tel que le chlore, le dioxyde de chlore ou l'ozone.

Dans les traitements biologiques de ce métal, il est fait appel à des micro-organismes spécifiques dont le métabolisme dépend étroitement des conditions de
rH et, par conséquent, de pH.

Dans certains cas, assez fréquents, le fer peut se trouver sous forme de sulfure FeS. Il convient alors de prendre des dispositions particulières pour le traitement.

La déferrisation sera donc simple, (oxydation à l'air pour transformer le fer divalent en fer trivalent) ou plus élaborée (déstabilisation des colloïdes, destruction des complexes).

Il importe donc de vérifier la composition analytiques précise des eaux.

Paramètres à prendre en considération au niveau d'un projet (sous l'aspect "procédé" uniquement).

 Ci-joint un graphique représentant les domaines possibles du type de déferrisation :
(conditions pH / potentiel redox EH)

  Du schéma graphique, on retiendra que


Exemple de diagramme de décision du choix de traitement :


Nota :
dans la suite de ce chapitre il ne sera évoqué que la déferrisation. chimique.

 


 

Limites pratiques du procédé physico-chimique.
Conditions standards.
Dans les conditions standards, on pourra traiter des eaux brutes ne présentant pas d'autres nuisances que le fer et dont les teneurs en éléments suivants ne dépassent pas les valeurs limites ci-dessous :

Eléments
Limites
Fer total (Fe2+Fe3)
10 mg/l Fe
Manganèse
0.05 mg/l Mn2
Silice
20 mg/l SiO2
Chlore libre
0.3 mg/l Cl2
Ammoniaque
0.05 mg/l NH4
Turbidité (*)
1.5 NTU
Phosphates
0.87 mg/l (en P)
Matières organique (oxydabilité)
5 mg/l
pH de l'eau à traiter
< 7.3
Hydrogène sulfurée (H2S**)
0 mg/l
Couleur vraie
15 mg/l Pt-Co

 * il faut vérifier que la turbidité n'est pas la conséquence d'une précipitation du fer au cours du transport de l'échantillon.

**H2S est rarement dosé. Quelquefois, la présence de l'odeur caractéristique est notée sur l'analyse. En l'absence de renseignements sur ce paramètre, on sera prudent avec les eaux ne renfermant pas du tout d'oxygène dissous surtout si de l'ammoniaque est simultanément présent.

REMARQUES :
Les eaux à pH < 7, contiennent quelquefois du gaz carbonique en excès par rapport à l'équilibre physique, et souvent à caractère agressif. La possibilité d'évasion du CO2 dépend des caractéristiques calco-carbonique de l'eau, et la limite peut donc être calculé (par exemple à l'aide de la méthode Hallopeau graphique et/ou informatique). A noter que si cela est possible, l'évasion du CO2 permet d'élever le pH, mais les débits d'air d'oxydation à mettre en oeuvre sont beaucoup plus importants (consultation de spécialistes).

Conditions non standards.
Les conditions non standards s'appliquent aux eaux dont certains éléments présents entraînent une modification légère du procédé, mais qui peuvent cependant subir un traitement d'aération + filtration classique.
Ce cas est celui ou la présence de Silice au delà de 15 mg/l ou de Manganèse (> 0,05) impose un complément de traitement d'oxydation et/ou de floculation, mais n'oblige donc pas de modifier le procédé de façon importante.
L'oxydabilité au permanganate > 5 mg/l O2 entraîne la même modification. Chaque cas devra être étudié spécifiquement (consultation de spécialistes).

Principes d'installations.
GÉNÉRALITÉS :
En général, les installations de déferrisation sont implantées sur des réseaux d'alimentation réalisés antérieurement.
Les caractéristiques principales de fonctionnement sont généralement fournies avec les documents techniques des dossiers d'appel d'affres. C'est donc à l'installation de s'intégrer sur le circuit de refoulement des groupes d'exhaure.
Deux cas peuvent se présenter :

  1. Refoulement de l'eau vers un château d'eau situé en élévation. C'est le cas général le plus souvent rencontré. Il nécessite une installation pouvant travailler sous une forte pression (maximum 7 bars). Au dessus de cette pression le volume d'air introduit devient faible devant le débit d'eau d'où mauvais mélange. Par ailleurs, risque "d'eau blanche" en distribution du fait de la dépressurisation au tirage, uniquement s'il y a distribution sur le refoulement avant réservoir.
  2. Refoulement de l'eau vers un réservoir au sol permettant l'implantation de l'installation à proximité de ladite réserve. De ce fait, l'ensemble fonctionnera sous faible pression. Si le niveau de restitution de l'eau déferrisée est supérieur au niveau maximum de la réserve, une lyre de garde devra être prévue à la sortie des filtres.

NOTA : L'installation engendrant une perte de charge supplémentaire, il sera judicieux de consulter l'exploitant afin de vérifier si les groupes de forage sont compatibles avec l'accroissement de la H.M.T.

Principe du traitement physico-chimique.
Conditions standards :
Cette filière comportera en général :

Les figures suivantes montrent des schémas de principe d'installation avec 1 ou 2 filtres par tour d'oxydation :

  INSTALLATION AVEC 1 FILTRE

INSTALLATION AVEC 2 FILTRES

 

Conditions non standards :
Les conditions non standards s'appliquent aux eaux dont certains éléments présents entraînent une modification légère du procédé, mais qui peuvent cependant être traitées par un système chimique. Ce cas est celui ou la présence de manganèse est supérieure à 0,05 mg/l ou l' hydrogène sulfuré (H2S) est soupçonnée.
Chaque cas devrait être étudié spécifiquement
Variantes.
Présence de micropolluants : utilisation de bicouche (charbon-sable) pour la filtration.

Turbidité > 1 NTU : mise en oeuvre d'une coagulation/floculation directe sur sable ou bicouche.

TRAITEMENT CHIMIQUE COMPLÉMENTAIRE
Fer complexé : rappel on peut a priori suspecter une complexation possible du fer lorsque la teneur en matières organiques (oxydabilité au permanganate) se situe au delà de 5 mg/l O2 ou une couleur vraie de l'eau supérieure à 15 mg/l Pt Co.
Également lorsque la silice dépasse 15 mg/l et les phosphates 2 mg/l (P2 05).
Si l'on rentre dans l'un de ces cas (voir le cumul des cas ... ) on doit envisager un complément de traitement par un réactif chimique, (consultation).
Le complément (à pratiquer entre l'aération et la filtration) sera basé sur l'action d'un oxydant fort (ozone/permanganate/bioxyde de chlore) et/ou d'une micro-floculation (sulfate d'albumine ou chlorure ferrique).
Seul des essais préalables permettraient de décider les réactifs et taux appropriés et les temps de contact nécessaires.
La mise en oeuvre de ce traitement amènera donc (pour réactif oxydant sauf l'ozone et/ou floculant) :

Cas particulier de l'ozone : les taux de traitement dépassent rarement 1g O3 / m3 (de 0,4 à 2 selon la teneur en fer Fe2+ et le pH de l'eau).
NOTA : les taux de floculant se situent entre 3 et 10 g de produit commercial g/m3 d'eau, selon les cas.

PRÉSENCE DE MANGANÈSE:
Un oxydant fort est presque toujours indispensable.
Le traitement simultané du fer et du manganèse ne peut s'envisager que si l'eau (après aération) se situe dans une zone d'oxydoréduction et de pH optimum. En première approche on peut prendre les courbes suivantes qui déterminent les zones possibles d'application de cette filière (figure suivante).

Nous voyons que les droites Eh (v) = f(pH) :

  1. E(v) = - 0,12 pH + 1,41 pour Mn/MnO2 ,
  2. E(v) = -0,18 pH + 1,477 pour Fe2+Fe(OH)3 .

situent, en fonction du pH et du potentiel réel de l'eau, les zones possibles de formes précipitables de Manganèse (dioxyde de manganèse, MnO2) et du Fer (hydroxyde ferrique, Fe(OH)3).

N.B. : tous points (pH, E(v) ) situés en-dessous de la droite Mn (droite supérieure - trait plein gros), laissent le manganèse sous forme soluble (Mn2+). La même remarque existe pour l'ion ferreux (Fe2+) (droite inférieure - trait en pointillés).
La plupart des eaux naturelles se placent dans une zone de pH de 5 à 8,5, pour une variation de potentiel E(V) de 0,3 à 0,5 (intérieur des droites en traits intermittents).
Ainsi donc, à l'exception d'une zone E > 0,5 et pH > à 7,5 ou les formes précipités d'hydroxyde ferrique (Fe (OH)3) et de dioxyde de manganèse (MnO2) peuvent coexister, il est nécessaire très souvent soit d'élever le pH, soit le potentiel d'oxydoréduction (E).
Dans ce dernier cas, le réglage de l'oxydant qui permet d'augmenter le potentiel est délicat, afin de ne pas dépasser un seuil qui amène le manganèse à rester soluble sous une forme fortement oxydée (MnO4- soit Mn 7+), c'est-à-dire avec E(v) > 0,9 pour pH = 5 et E(v) > 0,70 à pH = 8,5, (zone située au dessus de la droite oblique - trait fin).
REMARQUES : lorsque des dépôts antérieurement formés de MnO2 existent dans le sable, un effet catalytique se produit quelquefois, permettant d'abaisser le taux d'oxydant fort, voir de ne pas l'envisager (des tests sont nécessaires pour vérifier). Par ailleurs, les particules de dioxyde de manganèse étant parfois très fines, on peut être amené à utiliser un polymère (anionique) qui améliore la rétention de ces particules.
Pour finir, dans les cas difficiles : fer + manganèse avec complexation possible de ces éléments, pH faible et eau à l'équilibre calco-carbonique.
On peut envisager deux étages de traitement :

Nota : pour le traitement combiné du fer et du manganèse (voire de l'arsenic) des filtres multicouches basés sur l'utilisation de Sable/MnO2/Hydroxyde de fer, sont proposés dans l'industrie > Ex : Mangaflo™/ Mangaflo™Plus, de Veolia Eau Solutions & Technologies ( lien sur VWS ).


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Fin du 1er chapitre Traitements spécifiques (1)