L?arsenic est naturellement présent dans plus de 200 minéraux de l'écorce terrestre. De récentes études épidémiologiques faites sur des populations à risque montrent que l'ingestion journalière d'eau fortement concentrée en arsenic conduit à des maladies spécifiques comme la dépigmentation de la peau, des kératoses pouvant évoluer vers des cancers de la peau ainsi que des cancers des organes internes. Suite à ces études, les dernières réglementations sur l'eau potable aux États-Unis et en France ont abaissé la valeur paramétrique sur l'arsenic de 50 à 10 µg/l. Par conséquent, il est nécessaire d'améliorer les procédés de traitement existants et d'évaluer les performances des technologies émergentes pour satisfaire à la nouvelle réglementation sur l'arsenic.
Par conséquent, il est nécessaire d’améliorer les procédés de traitement existants et d’évaluer les performances des technologies émergentes pour satisfaire à la nouvelle réglementation sur l’arsenic.
Des études épidémiologiques récentes montrent l'impact de l'arsenic sur la santé humaine (Directives de qualité pour l'eau de boisson ; 1994), (Kempster ; 1981). Après ces études, le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) a classé l'arsenic dans le groupe 1 avec d'autres composés identifiés comme étant cancérigènes pour l'Homme. En conséquence, la dernière directive européenne sur l'eau potable a abaissé la valeur paramétrique sur l'arsenic de 50 µg/l à
Tableau 1 : Performances des procédés d’élimination de l’arsenic
en conditions optimisées (données bibliographiques)
Par exemple, pour une concentration initiale en arsenic de 100 µg/l, un minimum de 90 % d’élimination est nécessaire pour respecter la norme de 10 µg/l.
| Clarification CAP/CAG | Conditions spécifiques : Oxydation de As (III) en As (V) | Échelle laboratoire : ≥ 95 % | Échelle pilote : ≥ 95 % | Conditions industrielles : 90 à 95 % | Remarques : Performances optimales avec les sels de fer ; augmentent avec la dose de coagulant |
|---|---|---|---|---|---|
| Adsorption sur charbon actif | Conditions spécifiques : + | Échelle laboratoire : + | Échelle pilote : + | Conditions industrielles : + | Remarques : Les performances dépendent du type de charbon actif ; optimum à pH < 7 |
| Oxydation du fer et du manganèse | Conditions spécifiques : Fe²⁺ dans l’eau brute 1,5 mg/l | Échelle laboratoire : + | Échelle pilote : < 90 à 95 % | Conditions industrielles : — | Remarques : — |
| Production électrochimique de fer | Conditions spécifiques : — | Échelle laboratoire : ≥ 95 % | Échelle pilote : ≥ 95 % | Conditions industrielles : 95 % | Remarques : — |
| Adoucissement à la chaux | Conditions spécifiques : Oxydation de As (III) en As (V) & présence de Mg²⁺ | Échelle laboratoire : ≥ 95 % | Échelle pilote : ≥ 95 % | Conditions industrielles : > 90 % | Remarques : — |
+ : très faible élimination non chiffrée
10 µg/l, comme dans d’autres pays tels que les États-Unis et le Japon. En France, une étude globale sur la concentration en arsenic dans les ressources met en évidence des régions où les concentrations en arsenic dans les eaux souterraines sont supérieures à 100 µg/l (Charles ; 1998). Ces régions se trouvent en particulier dans le sud-ouest, dans la région des Landes, et dans le Nord-Est, dans la région des Vosges. Hors de la France, les pays où la majeure partie de la population est quotidiennement exposée à des concentrations en arsenic supérieures à 10 µg/l sont principalement le Bangladesh, l’Inde, la Chine (province de Taïwan), le Chili, l’Argentine et quelques États de la côte occidentale des États-Unis.
Pour faire face à cette situation, les usines de production d’eau potable doivent s’équiper avec des procédés appropriés pour se conformer à la réglementation locale sur l’arsenic.
Revue bibliographique
Un des buts principaux du travail présenté ici est de réaliser une étude bibliographique approfondie des traitements disponibles pour abaisser la concentration en arsenic à des valeurs inférieures à 10 µg/l dans l’eau distribuée. Ces différents procédés sont récapitulés dans les Tableaux 1 et 2. Ils sont ensuite illustrés par des résultats d’études faites par le CIRSEE à l’échelle pilote ou à l’échelle industrielle.
Clarification
Afin d’améliorer l’efficacité de l’élimination de l’arsenic il est nécessaire d’oxyder au préalable l’arsénite As(III) en arséniate As(V) (Sorg ; 1987). Plusieurs expériences faites en laboratoire, à l’échelle pilote et sur des sites industriels montrent que la coagulation avec des sels de fer donne de meilleurs résultats que la coagulation avec des sels d’aluminium. En particulier, le chlorure ferrique est le sel de fer le plus efficace (Levy et al. ; 1992), (Scott et al. ; 1995). L’élimination de As(V) n’est pas une fonction de la concentration initiale en arsenic dans une large gamme de concentration (Scott et al. ; 1995), (Edwards ; 1994), (Cheng et al. ; 1994). Par exemple, d’après Cheng et al., en utilisant 30 mg/l de chlorure ferrique, le pourcentage d’élimination de l’arsenic reste constant et proche de 99 % pour une concentration initiale en arsenic de 2,2 µg/l à 128 µg/l (Cheng et al. ; 1994).
En utilisant le chlorure ferrique comme coagulant, les performances obtenues en clarification restent constantes quelles que soient
Tableau 2 : Performances des procédés d’élimination de l’arsenic
en conditions optimisées (données bibliographiques)
Par exemple, pour une concentration initiale en arsenic de 100 µg/l, un minimum de 90 % d’élimination est nécessaire pour respecter la norme de 10 µg/l.
| Échange d’ions – Résine | Conditions spécifiques : Oxydation de As (III) en As (V) & pH > 7 | Échelle laboratoire : 90 % pendant 500 V/V* | Échelle pilote : 90 % pendant 500 à 1 000 V/V* | Remarques : Compétition avec les sulfates |
|---|---|---|---|---|
| Adsorbants autres que le charbon actif – Alumine activée | Conditions spécifiques : Oxydation de As (III) en As (V) | Échelle laboratoire : 90 % pendant 1 000 à 5 000 V/V* | Remarques : Meilleure efficacité à faible pH ; compétition avec les phosphates et la silice | |
| Adsorbants autres que le charbon actif – Granules d’hydroxyde de fer | Conditions spécifiques : Oxydation de As (III) en As (V) | Échelle laboratoire : 90 % pendant 10 000 à 100 000 V/V* | Remarques : Meilleure efficacité à faible pH ; compétition avec les phosphates et la silice | |
| Adsorbants autres que le charbon actif – Autres adsorbants | Conditions spécifiques : Charbon d’os, carbonate d’yttrium basique, mélange de chitosan & de chitine | Échelle laboratoire : + | Remarques : — | |
| Membranes – Osmose inverse (membranes basse pression) | Échelle laboratoire : ≈ 95 % | Remarques : Les performances dépendent du type de membrane | ||
| Membranes – Nanofiltration | Conditions spécifiques : pH > 7 | Échelle laboratoire : ≈ 95 % | Remarques : Les performances dépendent du type de membrane |
* Volumes d’eau filtrés par volume de matériau
+ : très faible élimination non chiffrée
Les conditions expérimentales : essais de laboratoire, essais à l’échelle pilote ou sur une usine de traitement (Levy et al.; 1992), (Scott et al.; 1995), (Cheng et al.; 1994).
En outre, quand le chlorure ferrique est employé comme coagulant, l'efficacité d’élimination de l’arsenic augmente quand le dosage de coagulant augmente. Cette efficacité demeure la même entre pH 5 et pH 8,5 (Sorg; 1987) et entre pH 5,5 et pH 7 (Cheng et al.; 1994). Les expériences de laboratoire faites par le CIRSEE montrent un pourcentage d’élimination de l'arsenic de 97 % à 99 % après clarification dans une gamme de pH entre 5 et 8,5 dans les conditions suivantes :
- dosage en chlorure ferrique de 30 mg/l ;
- eau souterraine naturellement polluée en As(V) à la concentration de 300 µg/l.
La Drinking Water Research Division (DWRD) aux États-Unis a obtenu le même pourcentage d’élimination de l’arsenic en utilisant de l’eau de surface dopée avec 500 µg/l en As(V) et un dosage de chlorure ferrique de 30 mg/l (Sorg; 1987).
Adsorption sur charbon actif
À l’échelle laboratoire, Huang et Fu montrent que le pourcentage d’élimination de l’arsenic par adsorption sur le charbon actif varie de 90 % à 98 % dans une gamme de pH de 2,7 à 6,7 (Richard et al.; 1979). D'autres auteurs démontrent que le charbon actif en poudre (CAP) est inefficace pour éliminer l'arsenic à l’échelle industrielle, quel que soit l’état d’oxydation de l’arsenic. Par exemple, moins de 3 % d'arsenic sont éliminés en utilisant 100 mg/l de CAP dans une eau contenant 500 µg/l de As(V). De la même manière, dans une eau contenant 500 µg/l de As(III), moins de 8 % d’élimination sont atteints avec des dosages de CAP supérieurs à 300 mg/l (Sorg et al.; 1978). Selon ces expériences, le type de matière première utilisé pour la fabrication du charbon actif et la valeur du pH sont les paramètres les plus importants à prendre en compte pour optimiser l’élimination de l’arsenic par adsorption sur CAP. Ainsi, les charbons actifs à base de lignite semblent être plus efficaces que ceux fabriqués à partir de bitume.
Oxydation physico-chimique du fer et du manganèse
L’élimination de l’arsenic conjointement à celle du fer et du manganèse par oxydation physico-chimique est possible par adsorption sur les hydroxydes de fer et de manganèse ou par co-précipitation avec ces espèces chimiques. Les expériences de MacNeill et d'Edward faites à l’échelle industrielle montrent une élimination de 80 % à 95 % de l’arsenic pour une concentration dans l’eau brute comprise entre 3,2 et 20,5 µg/l. Ces pourcentages d’élimination sont obtenus seulement si la concentration en fer est supérieure à 1,5 mg/l (Edwards; 1994).
Adoucissement à la chaux
Dans les procédés d'adoucissement à la chaux, l’arsenic est adsorbé sur les précipités de CaCO₃ et Mg(OH)₂. Logsdon, Sorg et Symons (Sorg et al.; 1978) ont fait des essais en laboratoire sur une eau souterraine contenant environ 300 mg/l de CaCO₃ et dopée avec 400 µg/l de As(V) ou As(III). Pour les valeurs de pH supérieures à 10,5, l’élimination de As(V) était supérieure à 99 %. Concernant As(III), la meilleure élimination de 80 % a été obtenue pour les valeurs de pH supérieures à 11,1. Pour As(III) à une concentration initiale de 400 µg/l, 99 % d’élimination ont été réalisées à pH 11 avec une préchlorination de l'eau brute en utilisant 2 mg/l de chlore et un temps de contact de 10 minutes. Les résultats obtenus à l'échelle industrielle sur deux lignes de traitement conçues pour éliminer Mg²⁺ à un pH de 10,2 à 11 montrent que As(V) est éliminé de 60 % à 94 %. En outre, la plus faible élimination en arsenic de 60 % à 74 % est obtenue sur la ligne de traitement où seulement 6 mg/l de Mg²⁺ sont éliminés alors que la meilleure efficacité d’élimination de l’arsenic de 94 % est accompagnée de la précipitation de 40 mg/l de Mg²⁺.
Procédés de filtration sur membrane
Les expériences de nanofiltration faites à l’échelle laboratoire avec une membrane NF70 de Dow Chemical Company et une membrane TFCS de UOP Fluid Systems Company donnent des pourcentages d’élimination de l’arsenic supérieurs à 95 % pendant les 30 minutes de cet essai (Thompson et al.; 1993). Le taux de conversion est fixé à 15 % et la pression respectivement à 3 bars et à 6 bars. Les membranes sont alimentées avec une eau souterraine filtrée dopée avec de l'arsenic à des concentrations de 40 µg/l à 150 µg/l pour une valeur du pH variant entre 7,6 et 8,3. La littérature donne quelques exemples des expériences faites par l'Agence de protection de l'environnement américaine (USEPA) pour l’élimination de l’arsenic à l'aide des membranes d'osmose inverse. Une première étude montre l’élimination de 98 % de As(V) quel que soit le type de membrane utilisé, tandis que l’efficacité d’élimination de As(III) varie de 46 % à 75 % selon le type de membrane (Fox; 1989). D'autres expériences sont faites à l'aide de trois membranes d'osmose inverse basse pression : membrane BW30 de Dow Chemical Company, membrane NCM1 de la société Hydranautics et membrane TFCL de UOP Fluid Systems Company. Ces membranes sont alimentées avec une eau souterraine.
Tableau 5 : Expérience CIRSEE – Détails du pilote pour l'exemple 3
Exemple 3
- Diamètre interne de la colonne : 1000 mm
- Média filtrant : sable
- Lavage : air/eau
- Coagulant : chlorure ferrique
- Polymères testés : ASP 2A, alginate
raine et un mélange d'eau distillée et d'eaux souterraines contenant respectivement 90 µg/l et 40 µg/l d'arsenic. Pour un taux de conversion de 10 % et une pression de 7 bars, l'efficacité d'élimination de l'arsenic est supérieure à 95 % pendant les 30 minutes de cet essai (Thompson et al.; 1993).
Échange ionique et adsorption catalytique
La bibliographie donne des exemples d'élimination de As(V) par les résines anioniques à pH basique. Cependant, l'efficacité de l'élimination de l'arsenic est limitée quand les matières en suspension, les sulfates, les carbonates, les nitrates, le sélénium et le fer sont présents dans l'eau à traiter. L'efficacité de l'élimination de l'arsenic est également fortement influencée par le pré-traitement de la résine aussi bien que par la phase de régénération de celle-ci (Sorg et al.; 1978), (Thompson et al.; 1993), (Fox; 1989).
Des expériences d'élimination de l'arsenic à échelle pilote par filtration sur alumine activée montrent la possibilité de traiter As(V) à des concentrations d'environ 100 µg/l, à un pH optimum de 5 à 6. La présence de sulfates diminue l'efficacité du traitement mais l'effet de compétition est moins élevé que pour le procédé d'échange ionique (Fox; 1989).
L'Allemagne a été le premier pays européen à proposer dès 1989 une diminution de la réglementation sur l'arsenic de 50 µg/l à 10 µg/l. Un nouveau matériau d'adsorption catalytique appelé granules d'hydroxyde de fer (GHF) a été développé par l'institut universitaire de Berlin au début des années 1990 (Driehaus et al.; 1998). Comme pour l'adsorption sur alumine activée, les performances du GHF dépendent essentiellement du pH et le principal compétiteur est l'ion orthophosphate. Dans les mêmes conditions, la capacité d'adsorption du GHF est environ 10 fois supérieure à celle de l'alumine activée (Jekel; 2000). Le GHF est déjà utilisé à l'échelle industrielle en Allemagne et au Royaume-Uni (Selvin et al.; 2000). En France, l'utilisation du GHF pour la production d'eau potable a reçu l'agrément de l'Association française de surveillance et de sécurité des aliments (AFSSA) depuis la fin du mois d'octobre 2002.
Exemples de traitements à échelle pilote : études faites par le CIRSEE dans des conditions optimisées
Trois exemples sont présentés comme des études de cas dans ce paragraphe. Les caractéristiques de qualité de l'eau sont récapitulées dans le Tableau 3.
Élimination de l'arsenic seul (exemples 1 et 2)
Dans les exemples 1 et 2, l'arsenic est le seul paramètre à traiter pour se conformer à la réglementation sur l'eau potable. Cependant, l'arsenic peut être éliminé dans une étape de traitement séparée qui peut être une coagulation sur filtre optimisée avec du sel de fer comme coagulant (exemple 1) ou par adsorption catalytique sur granule d'hydroxyde de fer (GHF) ou sur des grains de bioxyde de manganèse MnO₂ (exemple 2). Le Tableau 4 donne les caractéristiques des installations pilote employées.
Les conclusions de l'étude d'optimisation des paramètres de dimensionnement permettent de définir le dosage en chlorure ferrique nécessaire pour diminuer la concentration en arsenic de 400 µg/l à moins de 7 µg/l. Le choix et l'optimisation du dosage de polymère, ainsi que l'optimisation des paramètres de fonctionnement du filtre bicouche, ont été également effectuées sur cette usine (exemple 1).
Les résultats de l'étude pilote pour l'élimination de l'arsenic de l'exemple 2 ont montré que le GHF donne de meilleurs résultats que le dioxyde de manganèse. Les capacités de rétention de l'arsenic, dans les conditions de cet essai, sont de 780 mg As/kg GHF et 86 mg As/kg MnO₂.
Élimination conjointe d'arsenic et de fer (exemple 3)
Dans cet exemple, l'arsenic et le fer sont les deux paramètres à traiter pour se conformer à la réglementation sur l'eau potable (Tableau 3). L'oxydation biologique et physico-chimique du fer est testée et optimisée sur site pour éliminer conjointement l'arsenic et le fer. Les caractéristiques de l'installation pilote sont résumées dans le Tableau 5.
Les conclusions de l'étude d'optimisation des paramètres de dimensionnement sont les suivantes :
- L'arsenic n'est pas éliminé par l'oxydation biologique du fer et filtration sur sable.
- Un traitement physico-chimique doit être adopté pour éliminer l'arsenic et le fer.
- Étant donné les valeurs du potentiel d'oxydoréduction et du pH de l'eau brute du forage, une étape préliminaire d'oxydation de As(III) en As(V) est nécessaire.
- Deux étapes d'oxydation ont été testées :
- Oxydant faible : chlore (1 mg/l) avec du chlorure ferrique comme coagulant (6 mg/l)
- Oxydant fort : permanganate de potassium (0,8 mg/l) sans ajout de chlorure ferrique
Les meilleurs résultats ont été obtenus dans les conditions suivantes :
- Oxydation de l'eau brute avec du permanganate de potassium, suivi d'une filtration sur sable ;
- L'avantage principal comparativement à l'utilisation de l'oxydant faible est une meilleure qualité de l'eau traitée (arsenic < 5 µg/l, fer < 20 µg/l, manganèse < 10 µg/l) sans addition de chlorure ferrique.
Conclusion
Cette revue bibliographique approfondie sur les traitements existants pour se conformer à la réglementation sur l'eau potable vis-à-vis de l'arsenic montre que plusieurs procédés sont disponibles à l'échelle industrielle et fournit des informations sur les performances envisageables.
Selon les conditions spécifiques de chaque site (comme les paramètres de qualité de la ressource et les procédés déjà existants sur la chaîne de traitement), l'arsenic peut être éliminé avec d'autres polluants dans des procédés optimisés tels que la clarification, l'oxydation physico-chimique du fer ou l'adoucissement à la chaux.
Si l'arsenic est le seul polluant à éliminer, des traitements spécifiques peuvent être mis en œuvre : résine échangeuse d'ions ou adsorption catalytique sur alumine activée ou sur granule d'hydroxyde ferrique.
Les performances obtenues dépendent principalement du pH, du potentiel d'oxydoréduction et de la présence éventuelle de compétiteurs.
Parmi les procédés de filtration sur membrane, la nanofiltration est une alternative
intéressante en raison de sa fiabilité, aussi bien que pour ses capacités à éliminer la dureté de l'eau brute.
La dureté est l'une des premières raisons du mécontentement des consommateurs.
Le choix du meilleur traitement pour un site donné dépendra essentiellement des conditions suivantes :
- - État chimique de l'arsenic en relation avec le pH et le potentiel d’oxydoréduction de la ressource.
- - Présence éventuelle d'autres polluants à éliminer (fer, manganèse, dureté, etc.).
- - Mise en œuvre d'un procédé d’élimination de l'arsenic dans une chaîne de traitement déjà existante.
- - Réalisation d'un traitement spécifique sur un nouvel emplacement.
