Chloration et déchloration des eaux de Paris

Le chlore a d’abord été ajouté à l’eau, exceptionnellement, en périodes d’épidémies de typhoïde et de choléra, puis en continu, à faible dose, pour rendre potable l'eau provenant de rivières. Des équipements de mise en œuvre du procédé ont été décrits dans des demandes de brevets déposées en 1888 et les années suivantes, mais il semble que ce ne soit qu’en 1902 que, pour la première fois, les eaux distribuées furent chlorées en permanence à Midekerke (Belgique) et en 1908 à Chicago (U.S.A.). Le chlore était injecté dans l’eau sous forme de solution d'eau de Javel (hypochlorite de potassium ou de sodium) ou de chlore gazeux fabriqué in situ (3). Les doses de chlore injectées dans l’eau étaient de l’ordre de 10 mg/l pendant les épidémies, puis ramenées à 1 mg/l pour le traitement continu de routine. (3)

À cette époque, à Paris, la qualité des eaux approvisionnées et une grande vigilance dans l'application des règles de protection de l'environnement des points de prélèvement furent jugées suffisantes et il fut estimé inutile, jusqu’en 1918, de chlorer régulièrement les eaux potables.

*La bibliographie sera fournie par l’auteur aux lecteurs intéressés.

Ce n’est qu’après la guerre, lorsque furent rapportés les services rendus par la javelisation des eaux, en particulier à Verdun (appelée alors Verdunisation) que Dienert réussit à convaincre ceux qui s’étaient opposés à cette pratique d’hygiène pour les eaux distribuées aux habitants de Paris. Dans la Verdunisation, une attention toute particulière est réservée à la rapidité d’obtention d’un mélange homogène, ce qui permet d’abaisser la dose de chlore à injecter à 0,1 mg/l pour une eau courante destinée à être consommée aussitôt après le temps de contact requis pour assurer une bonne désinfection.

Afin de ne pas provoquer de réactions de la part des Parisiens, peu conscients de la nécessité de chlorer les eaux pour protéger leur santé et très exigeants sur la qualité gustative de l’eau du robinet, il fut jugé opportun de réduire la teneur résiduelle de chlore avant son introduction dans le réseau urbain de distribution. Cela pouvait alors se faire aisément, car le réseau était relativement simple et compact. (4)

Depuis lors, le réseau parisien s’est étendu et ramifié. Les points d’alimentation et de stockage de ce réseau interconnecté ont été multipliés et les techniques de chloration et de déchloration partielle ont été développées et affinées ; leur automatisation totale est en cours.

C’est le sujet de la présente étude.

Chloration des eaux à la sortie des usines et stations de production

L’eau est chlorée à la sortie des usines de production pour être désinfectée et protégée pendant son transport. Cette protection est assurée par la présence d’un résiduel désinfectant suffisant jusqu'à son arrivée aux lieux de distribution. Cette pratique protège l’eau de toute pollution biologique d'origine extérieure et évite la dégradation naturelle de l’eau pendant la durée de son séjour dans les réseaux d’amenée à Paris et dans les réservoirs de transit et de stockage du réseau urbain de distribution.

L’eau produite par les usines et les stations alimentant Paris est chlorée au départ à une teneur de 0,5 à 1 mg/l et arrive dans la capitale avec encore environ 0,2 à 0,8 mg/l de chlore résiduel.

Chloration des eaux à leur arrivée dans les réservoirs parisiens

Il s’agit d’une chloration complémentaire avant stockage de l’eau en cas de perte excessive de chlore entre l’unité de production et le réservoir, c’est-à-dire en cas d’insuffisance de résiduel de chlore pour assurer la protection de l’eau pendant la durée de son séjour dans les réservoirs de transit et de stockage ceinturant Paris. L’eau perd au maximum 0,3 mg/l pendant

la durée de son séjour dans ces réservoirs.

C'est pourquoi il est prescrit aux installations de livrer dans les réservoirs une eau contenant une teneur minimale de chlore de 0,4 mg/l.

Déchloration partielle à la sortie des réservoirs

À sa sortie des réservoirs installés à l'entrée de Paris, l'eau contient un résiduel de chlore de 0,1 à 0,7 mg/l. C'est trop, au goût des Parisiens, qui sont, en général, très mal informés des risques qu'ils courent à consommer une eau sans chlore résiduel ou encore simplement en insuffisance. Beaucoup ignorent qu'il suffit de la mettre une nuit dans un réfrigérateur familial pour la dégazer de tous les dérivés chlorés éventuellement présents, qui donnent parfois un goût désagréable temporaire à l'eau chlorée et qui ont la particularité intéressante d'être moins solubles à froid qu'à la température ambiante.

Sage arbitrage : le taux résiduel habituellement admis dans le réseau parisien, à la sortie des réservoirs de stockage et de transit, est de 0,1 mg/l à l'état de chlore libre, soit 0,08 mg/l de chlore actif sous forme d'acide hypochloreux pour un pH de 7. La recherche n'est pas de désinfecter l'eau, puisqu'elle l'est très largement avant son envoi dans les canalisations de distribution, mais il est indispensable de maintenir dans l'eau distribuée, ce qui a été expliqué précédemment, un léger résiduel de chlore actif, non réduit ou combiné, disponible en cas de besoin pour une action défensive de désinfection. Il y a, en effet, un risque de détérioration des eaux par des pollutions accidentelles heureusement très rares.

Une aussi faible teneur résiduelle de chlore suffit, compte tenu des conditions privilégiées de la distribution des eaux à Paris : qualité des eaux approvisionnées, installation des conduites d'eau en galerie (conduites non enterrées), maintien de l'eau à une pression de 4 bars, durée réduite de séjour de l'eau dans les conduites.

Modernisation des équipements

L'eau arrive à Paris par trois axes principaux qui ont été équipés chacun d'un poste de traitement destiné à supprimer tout excédent de chlore résiduel. Les produits utilisés pour abaisser le taux de chlore sont au nombre de trois : l'hyposulfite de sodium, le bisulfite de soude et l'anhydride sulfureux.

Le bisulfite de soude en solution aqueuse (310 g/l) est stocké dans des cuves, ce qui nécessite des locaux importants. Les chimistes se plaignent de la lenteur de sa diffusion dans l'eau à déchlorer, qui ne facilite pas la maîtrise de son utilisation.

L'hyposulfite de sodium qui se présente sous forme de cristaux, est livré et stocké en sac. L'usage de ce produit est pratiquement abandonné à cause de son coût élevé et de la complexité des manipulations, gênant l'automatisation des installations.

L'anhydride sulfureux (SO₂), liquéfié sous pression, est livré et stocké en réservoirs métalliques de 60 ou 900 kg. Son stockage et son utilisation font l'objet d'une réglementation particulière qui ne pose pas de problème d'application et de mise en œuvre, car elle est raisonnablement contraignante. Son conditionnement est pratique à tous égards ; c'est pourquoi c'est le produit le plus couramment utilisé à Paris.

Antérieurement, le réglage des opérations de déchloration était effectué manuellement, en fonction des analyses chimiques de l'eau, effectuées elles aussi manuellement et périodiquement. Les variations du débit dans chaque conduite n'étaient pas prises en compte.

Les premières études concernant le plan d'automatisation des postes de traitement débutèrent en 1970. Elles aboutirent à la construction d'un poste semi-automatique à Arcueil. Un premier poste automatique fut mis en service en 1979, dans l'enceinte du réservoir de Saint-Cloud. Un deuxième poste automatique est en service, depuis juillet 1986, dans l'enceinte du réservoir de Ménilmontant. Dans la foulée, la modernisation et l'automatisation totale du poste d'Arcueil ont été décidées.

Deux mini-postes souterrains, à la Porte de Vincennes et à la Porte Dorée, complèteront ultérieurement ces équipements pour des utilisations temporaires.

Le schéma général de traitement adopté pour Ménilmontant comprend essentiellement :

• une injection automatique de produit stérilisant (en cas d'insuffisance de désinfectant résiduel) ou neutralisant (en cas d'excès) ;
• une analyse de contrôle du chlore résiduel en aval du point d'injection.

La régulation de l'injection est fonction du débit de l'eau dans la conduite et de l'analyse de l'eau en aval des postes de traitement. Cela nécessite de l'automate les trois fonctions essentielles des mathématiques (proportionnelle, intégrale et dérivée).

Équipement du réservoir de Ménilmontant capacité 119 000 m³

Après l'annexion des villages bordant la Ville de Paris, dont Montmartre, Passy, Belleville et Ménilmontant, l'année 1859 marque une transformation importante des limites géographiques de la ville. Le service de distribution est alors entièrement remanié et décomposé en trois sections :

• le « service bas » comprenant tous les quartiers sous l'altitude de 40 mètres ;
• le « service moyen » comprenant tous les quartiers ouest, nord et est de Paris, compris entre les altitudes de 40 et 60 mètres ;
• le « service haut » comprenant les buttes s'élevant au-dessus de l'altitude de 60 mètres (5).

Au milieu du siècle dernier, par temps de sécheresse, les services moyens et hauts de distribution d'eau potable n'étaient pas régulièrement assurés dans les 19ᵉ et 20ᵉ arrondissements de Paris.

L'ingénieur Belgrand a donc recherché, pour assurer l'alimentation des services moyens et hauts de Paris, de nouvelles provenances d'eau de qualité. Son choix s'est porté sur les sources de la Dhuis, situées à 130 km à l'est de la capitale, qui ont été dérivées par gravité jusqu'à Paris.

À la même période, la Ville de Paris acquit l'usine de production de Saint-Maur, située en bordure de Marne. Cette usine pouvait refouler vers Paris, indifféremment, de l'eau de rivière ou de l'eau de source.

Un réservoir unique a alors été construit à l'extrémité du plateau qui s'étend de Lagny à Belleville, pour recevoir à la fois les eaux de la Dhuis et celles de Saint-Maur : c'est le « réservoir de Ménilmontant » qui fut mis en service sous Napoléon III, en octobre 1865. Il est composé de deux parties : la première, qui comprend deux compartiments de 46 000 m³ chacun, est réservée au stockage servant le « réseau d'eau potable », dit « réseau am y »

privé » ; la seconde, qui comprend deux compartiments de 13 500 m³, alimente le « réseau d’eau non potable » dit « réseau public » (usages industriels et de voirie) (6).

Le ratio « volume d’eau stockée » par « nombre d’habitants » est demeuré stable dans les quartiers est de la capitale pendant près d’un siècle. À la suite de la rénovation de l'habitat, du développement des équipements ménagers et de l’amélioration de l’hygiène des habitants, des besoins supplémentaires en eau sont apparus ces dernières décennies. Il a alors été décidé d’augmenter la capacité des réserves en eau potable par la construction (en béton précontraint) et la mise en service, en 1964, du réservoir des Lilas sur la butte de Belleville, à proximité du réservoir de Ménilmontant. Sa capacité est d’environ 200 000 m³. Son alimentation est assurée par l’usine d’Ivry.

Ces deux réservoirs contiennent plus de 300 000 m³ d’eau, ce qui a permis, depuis leur mise en service, de couvrir la demande en eau potable des quartiers nord et est de Paris, en disposant d’une grande marge de sécurité par l’importance du volume stocké. Il restait à garantir sa propreté biologique et sa qualité gustative si chère aux Parisiens. C’est pour atteindre cet objectif qu'il a été décidé de moderniser et automatiser le poste de chloration/déchloration du réservoir de Ménilmontant, opération qui a été confiée, en 1986, à la société C.I.F.E.C., soumissionnaire du marché passé par la Ville de Paris, après appel d’offres, et qui a été réalisée comme indiqué ci-après.

Chloration des eaux à leur arrivée dans le réservoir

— Eaux de source en provenance de l’aqueduc de la Dhuis (20 000 m³/jour) : un turbidimètre contrôle en permanence la turbidité de l’eau de la Dhuis à son arrivée sur le site du réservoir de Ménilmontant. Cette turbidité est, en moyenne, de 0,25 à 0,3 unité de formazine (norme Afnor de turbidité). C’est une performance comparable aux meilleures eaux minérales embouteillées. En cas de dépassement d'un seuil de turbidité prédéterminé et mémorisé à la demande, l’eau de la Dhuis est automatiquement déviée vers le réservoir d’eau non potable.

La chloration complémentaire de cette eau est totalement automatique à son arrivée au réservoir de Ménilmontant. Un analyseur contrôle en permanence la quantité résiduelle de chlore total pour vérifier la bonne exécution des consignes et commander la mise en service de l’installation d’addition de chlore dès qu’il en manque par rapport au point de consigne fixé par l’exploitant. Un débitmètre mesure la quantité d’eau qui transite dans la conduite d’amenée d’eau au réservoir. L’injection de chlore est asservie à la fois au débit d’eau instantané et au résiduel de chlore mesuré par l’analyseur installé en aval du traitement complémentaire.

Tout écart de chlore par rapport au point de consigne affiché par l’exploitant est immédiatement compensé par augmentation ou diminution de l’injection de chlore afin d’obtenir le taux résiduel de chlore imposé.

— Eaux de surface en provenance des usines de Saint-Maur et d’Ivry (250 000 m³/jour) : les eaux provenant de ces usines se déversent à l’entrée du réservoir par l’intermédiaire de deux tulipes d’un diamètre de 1 250 mm chacune. Un analyseur contrôle en continu le taux de chlore résiduel à leur arrivée au réservoir. Dès qu’une insuffisance de chlore, par rapport à la teneur mémorisée en point de consigne, est détectée par l’analyseur, l’installation automatique de chloration se met en service. Le point de consigne habituel est 0,4 mg/l de chlore, qui est donc la teneur minimale de désinfectant imposée lorsque les eaux arrivent dans les compartiments du réservoir de Ménilmontant. Cette valeur a été définie en tenant compte du temps probable de séjour de l’eau dans le réservoir. Le réservoir de Ménilmontant est essentiellement un réservoir de passage et d’équilibrage où l’eau potable séjourne 24 heures au maximum.

Stockage et injection du chlore

Le désinfectant utilisé est le chlore pur, stocké sous basse pression dans des bouteilles d’acier d’une contenance unitaire de 50 kilogrammes. C’est sa forme la plus concentrée et la plus économique à approvisionner, transporter et mettre en œuvre dans les meilleures conditions de sécurité. Ce choix fait suite à l’expérience pratiquée à grande échelle par les services techniques de la Ville de Paris de toutes les techniques de chloration des eaux depuis de nombreuses décennies. Les possibilités d’innovations réelles sont rares de nos jours dans ce domaine, hormis l’automatisme, la sécurité et l’emploi de nouvelles matières plastiques et de céramiques ; d’où l’intérêt de faire appel à des fournisseurs dynamiques et en « bonne santé » économique.

Chaque équipement d’injection de chlore comprend :

— deux chloromètres de sécurité à fonctionnement en dépression, fixés chacun sur une bouteille différente. Ces chloromètres fonctionnent alternativement sous contrôle d’un inverseur automatique de bouteilles de chlore. Ce fonctionnement en duplex double l’autonomie de chaque équipement entre deux interventions des exploitants et assure pratiquement une chloration 24/24 heures, sans nécessité de permanence ;

— une vanne modulante à ouverture progressive automatique qui assure la variation du débit de chlore injecté selon les ordres de l’automate ;

— un hydro-éjecteur avec sonde d'injection qui met en dépression la conduite de chlore. Cette dépression entraîne l’ouverture du clapet d’entrée du chloromètre en service. Ce clapet commande directement la sortie du chlore des bouteilles et les isole dès que la dépression est interrompue sur commande ou accidentellement. C’est ainsi que, dans des conditions de parfaite sécurité, le chlore est aspiré par l’hydro-éjecteur de l’installation, dans la partie supérieure des bouteilles de chlore où il se trouve disponible en phase gazeuse. Le chlore circule donc en dépression depuis sa sortie des bouteilles jusqu’aux hydro-éjecteurs disposés au plus près du point d'utilisation, c’est-à-dire le point d’injection dans l'eau à traiter ;

— un analyseur de chlore total résiduel, avec nettoyage continu d’électrodes en cuivre et en or, qui se caractérise par la fidélité et la stabilité de son fonctionnement dues à la surface de ses électrodes et au pH maintenu dans la chambre de mesure. Son choix fait suite à des études approfondies et comparatives des analyseurs proposés sur le marché, effectuées ces dernières années pour l’équipement des usines d’eau de la banlieue parisienne ;

— un automate, ou coffret électronique de régulation avec, en façade, l’affichage de la consigne du taux de chloration, du débit d’eau à traiter et du résiduel contrôlé par l’analyseur.

Déchloration partielle des eaux aux différentes sorties du réservoir de Ménilmontant

L’anhydride sulfureux (SO₂) est prélevé en phase gazeuse d’un tank de stockage. Mélangé à l’eau de service d’un hydro-éjecteur, comme cela est fait pour le chlore, avec toutefois un matériel adapté au SO₂, appelé « sulfonateur », il est stocké en solution aqueuse à 1,5 g/l dans deux réservoirs de reprise ; grâce à cette dilution, le SO₂ se diffuse très rapidement dans l’eau traitée dans des conditions d’utilisation faciles et précises.

L’anhydride sulfureux se transforme par hydrolyse en acide sulfureux selon la formule :

SO₂ + H₂O = H₂SO₃

L’acide sulfureux ainsi formé réagit avec le chlore actif et le chlore combiné pour donner finalement des chlorures de goût pratiquement non décelable :

H₂SO₃ + HOCl = H⁺ + Cl⁻ + 2H⁺ + SO₄²⁻

H₂SO₃ + NH₂Cl + H₂O = NH₄⁺ + Cl⁻ + 2H⁺ + SO₄²⁻

Des réactions similaires se produisent avec les di- et trichloramines NHCl₂ et NCl₃. Les réactions sont rapides, presque instantanées. Aucun temps de contact n’est nécessaire. Seul un rapide et efficace mélange au point d’injection est à assurer.

Les débits d’eau et les résiduels de chlore en sortie du réservoir étant essentiellement variables, chaque conduite de distribution d’eau vers le réseau public est équipée d’un débitmètre d’eau qui mesure en continu et génère un courant électrique 4-20 mA proportionnel au débit d’eau distribuée.

Un analyseur de chlore total résiduel mesure en continu la quantité de chlore restant après injection de SO₂ et génère un courant 4-20 mA proportionnel au résultat. Cette injection est asservie à la fois au débit d’eau et au résiduel de chlore. Le point de consigne du résiduel de chlore est réglé habituellement à 0,1 mg/l : le débit de SO₂ augmente automatiquement en cas d’excès de chlore et diminue en cas d’insuffisance de chlore résiduel par rapport au point de consigne.

La valeur de ce point de consigne est augmentée éventuellement et momentanément en cas de menace d’épidémie sur les instructions des Services d’hygiène et du Service de contrôle des eaux de Paris.

Contraintes d’installation et d’exploitation

Les techniques et le matériel utilisés répondent aux contraintes suivantes :

• — débits d’eau à traiter variables de 1 000 à 5 000 m³/h,
• — résiduels de chlore avant neutralisation variables de 0,1 à 0,7 mg/l,
• — éloignement des points d’injections (jusqu’à 2 000 m) du stockage central d’anhydride sulfureux,
• — temps variable de contact entre l’injection de neutralisant et l’analyse du chlore résiduel pouvant atteindre un quart d’heure,
• — pressions différentes aux différents points d’injection,
• — demande en neutralisant variable de 400 à 12 000 g/h,
• — résiduel de chlore de l’ordre de 0,1 mg/l à assurer dans l’eau après déchloration (plus cette valeur est faible, plus est difficile sa maintenance à un taux régulier).

C’est dans ces conditions que le programme suivant a été déterminé : le SO₂ est approvisionné sous forme de gaz liquéfié sous pression, stocké dans des tanks cylindriques horizontaux métalliques d’une contenance de 900 kg, c’est-à-dire des réservoirs mobiles et interchangeables, livrés par camion ; le SO₂ est prélevé par aspiration dans la phase gazeuse située dans la partie supérieure des tanks au moyen d’hydro-éjecteurs qui produisent une solution aqueuse de SO₂ à 1,5 g/l ; cette solution de SO₂ est stockée dans deux réservoirs de reprise avant injection dans les conduites d’eau à déchlorer partiellement.

Préparation de la solution de SO₂

La sortie du SO₂ est contrôlée par des sulfonateurs de sécurité fonctionnant sous dépression, installés directement sur le robinet des tanks. Toutes les conduites de SO₂ fonctionnent donc en dépression, comme celles du chlore de l’installation voisine. En cas de défaut d’étanchéité, c’est donc l’air ambiant qui s’engouffre dans les canalisations et non le gaz qui s’échappe. Le tank est alors automatiquement et instantanément isolé par la soupape de sûreté qui contrôle l’entrée des sulfonateurs, comme c’est le cas pour les chloromètres ; il n’y a donc pas de canalisation contenant du SO₂ sous pression, source de danger.

Pour obtenir une concentration constante de SO₂, le débit de SO₂ et le débit d’eau de service de chaque hydro-éjecteur sont réglés à l’aide de débitmètres. Les hydro-éjecteurs fonctionnent en tout ou rien par ouverture et fermeture d’électrovannes placées sur leur alimentation en eau de service. Cette eau crée la dépression précitée en passant dans le venturi des hydro-éjecteurs et fournit le liquide de dissolution du SO₂. Les électrovannes sont asservies à des contrôleurs de niveau équipés de contacts électriques et disposés dans les cuves de stockage : ainsi un, deux ou trois sulfonateurs sont mis en service, en fonction de la demande en SO₂.

Injection de la solution déchlorante

La solution de SO₂ est ensuite reprise et mise en pression par un surpresseur qui alimente cinq vannes modulantes à ouverture progressive, servant chacune un point d’injection dans une conduite différente de refoulement d’eau du réservoir dans le réseau de distribution urbain. Ces vannes modulantes sont asservies au débit d’eau à traiter et au résiduel de chlore mesuré après injection. De plus, le débit de chaque vanne est contrôlé automatiquement par un débitmètre de solution de SO₂. En cas d’écart entre le débit de SO₂ calculé par le régulateur et le débit réellement injecté, la position de la vanne est automatiquement rectifiée.

L’analyse de contrôle et le traitement sont donc effectués séparément pour chacun des cinq points d’injection concernant chacun une conduite de distribution différente. C’est du « sur mesure » intégral.

Conclusion

La technique de la chloration/déchloration qui a déjà fait ses preuves depuis de nombreuses années pour désinfecter les eaux usées avant leur rejet dans un milieu récepteur naturel, peut être également utilisée avec succès pour l’eau potable. Cette pratique évite les excès de chlore et les inconvénients qui en résultent, inconvénients limités d’ailleurs à des problèmes de goût.

Il est rappelé à ce sujet qu’au point de vue de la santé du consommateur, les excès éventuels de chloration sont moins à craindre que les insuffisances ; la désinformation du public est totale à ce sujet.

Dans le cas particulier décrit d’un traitement de déchloration automatique, juste avant distribution de l’eau potable, effectué différemment sur des sorties séparées d’un même très grand réservoir de stockage d’eau et de reprise, la réalisation n’est pas simple. En effet, tous les paramètres qui conditionnent le traitement varient indépendamment et constamment : importance des débits à traiter, excès de chlore résiduel à réduire, consignes différentes de taux résiduel de chlore en fonction de la longueur du réseau desservi, etc. Seule une installation entièrement automatique permet d’obtenir un résiduel constant de 0,1 mg/l, quels que soient le débit et la quantité de chlore avant déchloration. L’analyseur de contrôle du chlore après déchloration est la clé de voûte du système.