Le renforcement de la réglementation relative au stockage de chlore gazeux a conduit à choisir, à l'usine de Choisy-le-roi, un procédé alternatif : l'électrochloration. Il consiste à produire sur site, par électrolyse d'une solution de sel, une solution d'eau de Javel diluée à environ 6 g/l. Il comporte de multiples atouts tant techniques qu'économiques par rapport à l'utilisation d'eau de Javel commerciale concentrée. A l'usine de Choisy, l'unité d'électrochloration produit 37 kg de chlore par heure. Elle permet de traiter le débit naturel de l'usine, l'utilisation d'eau de Javel commerciale restant possible en appoint pour en secours éventuel. Exploitée depuis septembre 1995, l'installation donne pleine satisfaction.
Le renforcement de la réglementation relative au stockage de chlore gazeux a conduit à choisir, à l'usine de Choisy-le-Roi, un procédé alternatif : l’électrochloration. Il consiste à produire sur site, par électrolyse d'une solution de sel, une solution d’eau de Javel diluée à environ 6 g/l. Il comporte de multiples atouts tant techniques qu’économiques par rapport à l'utilisation d’eau de Javel commerciale concentrée. À l'usine de Choisy, l’unité d’électrochloration produit 37 kg de chlore par heure. Elle permet de traiter le débit habituel de l’usine, l'utilisation d’eau de Javel commerciale restant possible en appoint ou pour un secours éventuel. Exploitée depuis septembre 1995, l’installation donne pleine satisfaction.
Le Syndicat des Eaux d’Île-de-France (SEDIF) regroupe 144 communes de la banlieue de Paris réparties sur un territoire de 80 000 hectares. Pour alimenter cette population de 4 millions d’habitants, la Compagnie Générale des Eaux exploite, pour le compte du SEDIF, trois usines de production d’eau potable : à Choisy-le-Roi (800 000 m³/j) sur la Seine, à Neuilly-sur-Marne (800 000 m³/j) et à Méry-sur-Oise (200 000 m³/j). La production moyenne journalière avoisine 1 million de mètres cubes. Les chaînes de traitement de ces usines sont similaires. Elles comprennent toutes une post-chloration permettant de garantir la qualité microbiologique de l'eau dans le réseau. En effet, à la suite de la mise en place de filières biologiques, la chloration au breakpoint en tête du traitement a été supprimée et remplacée par une chloration finale, plus légère, destinée à maintenir la qualité de l'eau produite tout le long du réseau de distribution. Le traitement par le chlore demeure par ailleurs la sécurité ultime lors de pollutions, en cas de défaillance éventuelle de la filière.
La désinfection de l'eau s’effectue habituellement soit à partir de chlore gazeux, livré en tanks stockés sur le site, soit à l'aide d’une solution d’hypochlorite de sodium concentrée, livrée et stockée à l'usine.
Depuis 1987, la désinfection finale à l'usine de Choisy-le-Roi était réa-
lisé en priorité par le chlore gazeux en raison de sa facilité de mise en œuvre et de son moindre coût. L'eau de Javel assurait le secours et éventuellement l'appoint en cas de fort taux de traitement.
Des évolutions réglementaires contraignantes
La préoccupation des Pouvoirs Publics en matière de sécurité des populations s’est récemment traduite par un renforcement de la réglementation relative aux stockages de chlore gazeux.
En application de la directive « Seveso », le Service Technique d'Inspection des Installations Classées a demandé une étude de danger de l'installation de chlore de Choisy constituée de huit tanks d’une capacité unitaire de 1 000 kg. Basée sur la simulation d’explosion d'un des tanks de chlore, cette étude a conduit la préfecture du Val-de-Marne à définir des cercles de danger autour de l'usine située en pleine zone urbaine dont une conséquence est l’interdiction de tout permis de construire sur près de la moitié du territoire de la commune de Choisy-le-Roi (Val-de-Marne).
Cette étude de danger a donc mené à l'adoption de mesures de sécurité extrêmement contraignantes, de nature à inquiéter et à pénaliser les habitants des villes avoisinantes et par ailleurs, peu compatibles avec l'image sécurisante traditionnellement attachée au traitement de l'eau potable. C'est pourquoi, sur la base d'une concertation avec la ville, le SEDIF s'est engagé à mettre en œuvre tous les moyens pour régler cette situation avant le 31 décembre 1995.
En matière de chloration, l'utilisation d'eau de Javel commerciale concentrée à 150 g/l constitue l’alternative habituelle au chlore gazeux. Mais ce moyen n‘est pas sans présenter un certain nombre d'inconvénients. Ainsi :
- les problèmes de corrosion des matériels sont importants et conduisent à une durée de vie de l'installation courte (5 à 10 ans),
- le coût du produit est élevé,
- le titre de l’hypochlorite de sodium diminue rapidement dans le temps et les sous-produits d'oxydation, en particulier les chlorates et les bromates augmentent,
- par ailleurs, des risques humains liés aux interventions sur l'installation tout comme ceux liés au transport d'eau de Javel existent et ne doivent pas être sous-estimés.
Principe de l'électrochloration
À Choisy-le-Roi, un autre procédé a donc été envisagé, l’électrochloration. Il consiste à produire sur site, par électrolyse d’une solution de sel, une solution d’eau de Javel diluée à environ 6 g/l.
Le principe de l’électrochloration est la fabrication d'hypochlorite de sodium (NaOCl) au moyen de l'électrolyse d'une solution de chlorure de sodium.
Les chlorures sont oxydés en chlore à l’anode : Cl⁻ → 1/2 Cl₂ + e⁻ Les ions sodium sont réduits à la cathode : Na⁺ + e⁻ → Na avec production de soude et d’hydrogène : Na + H₂O → NaOH + 1/2 H₂
Le chlore formé au niveau de l'anode va réagir avec la soude formée à la cathode pour former de l’hypochlorite de sodium :
Cl₂ + NaOH → NaOCl + HCl
Il faut environ 3,3 kg de sel et 5 kW pour produire un kg de chlore sous forme de 165 l d’hypochlorite de sodium.
L'électrochloration : de multiples avantages
Ce procédé présente trois atouts techniques principaux :
- les problèmes de corrosion des matériels sont très atténués, l'installation est propre et sa durée de vie estimée est double voire triple de celle d'une unité d’eau de Javel concentrée,
- l'hypochlorite de sodium à faible titre est stocké sur des durées courtes, ce qui assure le maintien de ses caractéristiques chimiques et de sa qualité ; il en résulte que la formation de sous-produits dans le temps est beaucoup plus faible qu'avec l'eau de Javel du commerce,
- les coûts d’exploitation d'une telle unité sont identiques à ceux d'une installation de chlore gazeux.
ceux, en particulier pour les coûts variables ; un kilogramme de chlore produit sur l'usine coûte 4 F HT alors qu'il s'élève à environ 6 F HT quand il est produit à partir d'eau de Javel concentrée.
« enfin, l'électrochloration supprime les risques liés au transport et à la manutention de produits chimiques.
Depuis quelques années, l'électrochloration est utilisée en Angleterre en remplacement du chlore gazeux : près de Londres, l'usine de Chertsey produit 6,75 kg/h de chlore et celle de Walton environ 40 kg/h. En France, aucune installation industrielle pour l'eau potable n'existait avant que la ville de Saint-Maur ne retienne ce procédé pour répondre aux demandes du service des Installations Classées. Dans le courant de l'été 1993, des essais sur un pilote produisant 385 g/h ont été effectués par la société Trailigaz. Ils ont démontré que ce procédé n'induisait pas de problèmes de sous-produits, tels que chlorates et métaux lourds (ruthénium issu des anodes) et que les exigences fixées pour la pureté des produits de traitement étaient respectées. Ces résultats ont été confirmés après la mise en service de l'installation de Saint-Maur qui fonctionne depuis novembre 1993 et produit 6 kg/h de chlore, satisfaisant ainsi l'ensemble de la capacité de désinfection de l'usine dont la production nominale est de 50 000 m³/jour.
L'électrochloration à l'usine de Choisy-le-Roi
Les besoins de chloration à l'usine de Choisy-le-Roi sont basés sur une chloration inférieure à 2,2 mg/l au débit maximal de 800 000 m³/j, soit 73 kg/h de chlore.
Dans un premier temps, il avait été envisagé une installation d'électrochloration composée de deux files d'une capacité unitaire de 37 kg/h de chlore. Cette solution n'a cependant pas été retenue en raison de son coût d'investissement trop important et du risque que représentait l'utilisation d'un procédé unique dont la réalisation à cette capacité de production constitue une première en France.
La solution choisie est basée sur une seule file d'électrochloration de 37 kg/h (soit 888 kg/j), complétée par une installation d'eau de Javel concentrée. Au taux maximal de chloration, l'unité d'électrochloration suffit pour traiter le débit moyen de l'usine (400 000 m³/j). L'eau de Javel concentrée est utilisée comme appoint lors d'une chloration importante et de longue durée, au débit maximal.
Fonctionnement de l'installation d'électrochloration
Le sel, de qualité alimentaire, est mélangé à de l'eau adoucie dans un silo dissolveur, jusqu'à formation d'une solution saturée.
La saumure saturée est ensuite diluée dans de l'eau adoucie pour obtenir une solution d'une concentration de 3 %. Cette solution est alors envoyée dans l'électrolyseur constitué de plusieurs cellules anode/cathode placées en série et soumis à un courant continu. Il en résulte la production d'hypochlorite de sodium et d'hydrogène.
Le mélange ainsi formé est envoyé dans une cuve de stockage où l'hydrogène gazeux, séparé, est aussitôt dilué avec de l'air au moyen d'un système de ventilation forcée, puis évacué à l'atmosphère à très faible concentration (< 1 %). Une étude de danger a démontré l'absence totale de risque pour la sécurité.
La solution d'hypochlorite de sodium formée, d'une concentration moyenne de 6 g/l, est alors injectée dans l'eau aux différents points de chloration déjà existants. L'eau adoucie est produite sur le site au moyen d'un système de résines échangeuses d'ions. Le fonctionnement de l'installation est entièrement automatisé et supervisé du poste de commande.
L'installation a été étudiée pour fonctionner sans interruption, y compris durant les régénérations cycliques des adoucisseurs et durant les réapprovisionnements de sel d'un silo-dissolveur. Elle comporte les éléments suivants :
- « deux silos dissolveurs d'une capacité unitaire utile de 70 m³,
- « deux bacs décanteurs d'élimination des sels non dissous,
- « deux adoucisseurs d'une capacité unitaire utile de 12 m³/h,
- « 1 électrolyseur d'une capacité utile de 37 kg/h d'équivalent chlore, constitué de huit cellules disposées en deux ensembles de quatre étages,
- « un transfo-redresseur pour l'alimentation en courant continu de l'électrolyseur.
- • trois cuves de stockage d’hypochlorite de sodium d'un volume unitaire utile de 110 m³,
ainsi que tous les équipements hydrauliques (pompes, vannes, canalisations) et les automatismes nécessaires au fonctionnement de l'installation et à la distribution dans l'usine.
L’électrolyse fonctionne en « tout ou rien » à son débit maximal. Une des cuves de stockage est réservée à l’eau de Javel commerciale utilisée en appoint et secours.
La composition de la solution d'hypochlorite de sodium a été analysée et, à la dose maximum de chloration, non seulement la quantité d’impuretés introduite dans l'eau reste inférieure au dixième de la concentration maximale admissible fixée par le décret n° 89-3 du 3 janvier 1989 modifié mais les taux de chlorates et de bromates mesurés sont inférieurs aux taux mesurés en utilisant l'eau de Javel commerciale et aucune trace de ruthénium n'est détectable dans la solution ainsi produite.
Conclusion
L’électrochloration constitue une technologie propre et écologique qui présente toutes les garanties de sécurité tant à l'intérieur de l'usine que pour les populations riveraines. Des producteurs d’eau potable, en Angleterre et maintenant en France, commencent à adopter ce type de procédé. L’électrochloration représente une solution d’avenir très intéressante pour les usines de production d'eau potable ainsi que pour des stations de chloration en réseau de plus petites tailles.
Par sa forte capacité (37 kg/h) et son haut degré d'automatisation, l'installation d'électrochloration de Choisy-le-Roi constitue une première en Europe. Les travaux se sont déroulés de mai 1994 à juillet 1995 et l'installation est exploitée depuis septembre 1995. Le chlore gazeux a été abandonné au mois de décembre 1995, permettant d'éliminer de manière définitive les contraintes d'urbanisme liées à la réglementation « Seveso ».
Références bibliographiques
(1) Décret n° 89-3 du 3 janvier 1989 (modifié) relatif aux eaux destinées à la consommation humaine à l'exclusion des eaux minérales naturelles.
(2) Décret n° 77-1133 du 21 septembre 1977 (modifié) pris en application de la loi n° 76-663 du 19 juillet 1976 relative aux installations classées pour la protection de l'environnement.
(3) Maheu (A.), Bonnard (R.), Cestari (A.). Désinfection de l’eau potable par électrochloration : exemple de l'usine de Saint-Maur-des-Fossés. L’eau, l’industrie, les nuisances, n° 173, mai 1994, pp. 39-41.
(4) Courcier (J.-P.), Maheu (A.). Une alternative fiable pour la désinfection par le chlore : l'électrochloration. Point, Sciences et Techniques, vol. 6, n° 2, décembre 1995, pp. 32-33.
