Avec l’agrément de son procédé Nitracycle, fruit de plusieurs années d’expérimentations et de contrôles approfondis, la SAUR peut s’enorgueillir d’avoir contribué pour une large part à la reconnaissance par les pouvoirs publics des qualités d’un outil simple, sûr et particulièrement bien adapté aux besoins des collectivités rurales et urbaines qui sont confrontées à un problème de nitrates dans leur eau de distribution. Et pourtant, si l’on revient quelques années en arrière, rappelons-nous qu’après l’agrément des procédés biologiques de traitement de ces nitrates, peu de gens envisageaient alors d’investir dans la voie « résine » que nous avons suivie.
La SAUR, connaissant bien le monde rural où le problème posé par les nitrates est le plus prononcé, avait en effet décidé, après analyse des cas de pollution des eaux par les nitrates dans ses exploitations, de développer la technique qui lui semblait le mieux répondre aux besoins, à savoir l’échange d’ions.
Ce furent les essais préliminaires de laboratoires destinés à sélectionner la résine la mieux adaptée, puis ceux de la plateforme mise en place à Plouenan (Finistère) sous le contrôle du Secrétariat d’État à la Santé, ensuite la constitution du dossier de demande d’agrément, et enfin tout récemment l’agrément (1) du procédé Nitracycle et de sa résine (Amberlite IRA 400).
Entre-temps, confiants dans l’issue du dossier d’agrément après les résultats obtenus à Plouenan, nous avons entrepris dès mars 1984 la réalisation d’un pilote de taille industrielle (20 m³/h de débit traversant la résine) et son installation sur un puits désaffecté en raison de sa teneur excessive en nitrates (130 à 160 mg/l), à Crépy-en-Valois (Oise).
En mars 1985, dans ces mêmes colonnes, à l’occasion d’un numéro spécial consacré à l’eau potable, nous avions déjà annoncé que nous ferions état des performances de ce pilote ; au vu des premiers résultats, nous prédisions que notre procédé remettrait en question l’idée assez répandue que le traitement d’élimination des nitrates coûte très cher.
Qu’en est-il précisément ?
(1) Circulaire DGS/PGE3D n° 1136 du 23 juillet 1985 et 1143 du 24 juillet 1985 (ministère des Affaires Sociales et de la Solidarité Nationale).
PRINCIPE DU PROCÉDÉ
Nous rappelons brièvement la simplicité du procédé qui comporte un passage de l’eau dans un filtre chargé de résine échangeuse d’ions et une désinfection classique destinée à protéger le réseau de distribution.
Au cours de son passage sur la résine, l’eau se débarrasse des nitrates et sulfates (2) et s’enrichit proportionnellement en chlorures (cycle chlorure). Lorsque la résine est saturée en nitrate (la teneur en sortie de résine remonte), il est pratiqué une régénération, par passage sur le filtre d’une saumure de chlorure de sodium (3) en sens inverse de celui suivi par l’eau lors du traitement, puis un rinçage à l’eau, pour éliminer de la résine toute trace de chlorure de sodium avant reprise du traitement.
Il s’agit donc bien d’un échange ionique sur la résine entre les chlorures d’une part et les nitrates (ou sulfates) d’autre part.
Le fonctionnement de l’installation est cyclique : une phase de traitement, suivie d’une phase de régénération-rinçage. Cette dernière demandant une heure environ, un stockage d’eau traitée doit être prévu pour assurer la continuité de la distribution pendant cette phase.
QUALITÉ DE L’EAU PRODUITE
Teneur en nitrates
L’appareil de Crépy-en-Valois contient 800 litres de résine et la régénération intervient après 6 h de traitement. L’efficacité de l’élimination des nitrates : teneur inférieure à 5 mg/l après passage sur résine et le plus souvent entre 2 et 3 mg/l quelle que soit la teneur de l’eau brute (entre 130 et 160 mg/l), confirme les résultats des essais de Plouenan.
La linéarité de la teneur de sortie permet de ne traiter sur résine qu’une fraction du débit, autorisant par la suite un mélange à l’autre fraction non traitée, en vue de produire une eau dont la teneur ajustée en nitrates reste inférieure à la norme de 50 mg/l.
(2) Les ions sulfates sont retenus en même temps que les nitrates sur la résine. Plus la teneur en sulfates est élevée, plus la fréquence de régénération s’accroît et plus la consommation de sel augmente rapportée au m³ d’eau traitée.
(3) Certaines eaux riches en sulfates et nitrates peuvent nécessiter une double régénération au chlorure puis au bicarbonate de sodium.
Teneur en sulfates
L'eau passée sur résine contient en permanence moins de 5 mg/l en sulfates. La teneur élevée de l'eau brute (180 mg/l) contribue fortement à limiter la durée du traitement, mais n'altère en rien l'abattement des nitrates sur le filtre.
Teneur en chlorures
Chaque mg/l de nitrate fixé enrichit l'eau de sortie de résine de 0,57 mg/l de chlorure. De même chaque mg/l de sulfate fixé augmente la teneur en chlorure de 0,74 mg/l en sortie de résine. Compte tenu de la teneur en chlorures de l'eau brute (65 mg/l), la concentration en sortie de résine est de l'ordre de 280 mg/l (nitrates + sulfates éliminés ajoutés aux chlorures de l'eau brute) excepté lors des premiers volumes traités (environ 40) où la concentration s'élève à près de 500 mg/l au début pour revenir à 280 mg/l rapidement (figure 1).
Cette pointe en chlorure au début du cycle correspond à l'échange contre la majorité des ions hydrogénocarbonates présents dans l'eau brute (TAC de l'eau brute = 40 °F) ; ceux-ci ne se fixent plus après passage d’environ 40 volumes. Même après mélange en vue de ramener la concentration en nitrates de l'eau produite à 35 mg/l par exemple (20 m³/h traités sur résine et 5,5 m³/h dérivés soit un total produit de 25,5 m³/h), la teneur en chlorures passera de 400 mg/l au début de chaque cycle à 235 mg/l après 40 volumes d'eau passés sur la résine. Dans ce cas précis, soit les 40 premiers volumes sont jetés à l'égout (ce qui représente à Crépy une perte de 27 % du volume traité sur résine) soit une double régénération au chlorure puis au bicarbonate de sodium est pratiquée.
Ce dernier scénario a été testé à Crépy (figure 2) en donnant le résultat attendu : abaisser la teneur résiduelle en chlorures de façon à maintenir en permanence la concentration de l'eau distribuée en-dessous de la norme (250 mg/l).
La quantité de bicarbonate de sodium nécessaire à l'obtention de ce résultat est de 220 g par mètre cube d'eau produite.
Cette dépense supplémentaire de réactif est à comparer à la perte d'eau de 27 %, dans l'hypothèse d'un rejet à l'égout des premiers volumes traités.
La perte d'eau se traduit en un surcoût en chlorure de sodium et en pompage rapporté au m³ d'eau produite de l'ordre de 30 % alors que le surcoût en bicarbonate de sodium représente 58 %, sans compter l'investissement supplémentaire du poste de stockage et de distribution de ce réactif.
On voit, à travers cet exemple (cas particulièrement pénalisant avec simultanément des teneurs élevées en nitrates, sulfates et TAC) que la double régénération au chlorure puis au bicarbonate de sodium ne devra être réservée qu’aux situations extrêmes. Dans la majorité des cas qui nous ont été soumis pour examen, les teneurs en nitrates se situaient à des valeurs comprises entre 50 et 80 (avec quelques-uns à plus de 100 mg/l). Dans le même temps, ces eaux présentaient des teneurs en sulfates situées aux environs de 20 à 40 mg/l avec quelques cas à 80 mg/l et rarement au-delà.
C'est la raison pour laquelle nous sommes persuadés que le procédé Nitracycle, avec simple régénération au chlorure de sodium, répond à la quasi-totalité des besoins et ce, d’une façon économique comme cela est montré dans la suite de cet article.
Équilibre calco-carbonique
Chaque fois que la teneur en ions hydrogénocarbonates fluctue dans l’eau traitée, cela induit une variation de l'indice de saturation (Is = pH de l’eau traitée — pH d’équilibre). Cette variation se produit au début de chaque cycle et de manière inverse, selon que la résine est régénérée par du chlorure de sodium seul ou avec un supplément de bicarbonate de sodium (figure 3).
Pour chaque eau, la reproductibilité de l'évolution est immuable tant que l'indice de saturation de l'eau brute reste constant. En outre, le mélange de l'eau traitée sur résine avec eau dérivée, en vue d’ajuster la teneur finale en nitrates, atténue la variation de l'indice de saturation en sortie de résine. Par conséquent, dans certains cas, le simple effet tampon constitué par un stockage d'eau traitée sur une
Capacité supérieure à 40 fois le volume de résine suffira à régulariser l'indice de saturation. Une correction s'avérera nécessaire selon les cas. Elle pourra être programmée une fois pour toute si l'indice de saturation de l'eau brute est constant ou bien, sinon, être asservie à un pH-mètre.
À Crépy-en-Valois, l'eau traitée, comme l'eau brute, présente un caractère entartrant qui nécessite une correction acide. Pour les eaux brutes agressives, une correction devant être déjà pratiquée sur les installations existantes, il convient de placer le filtre à résine en amont de la correction.
Par exemple à Plouenan, l'eau brute agressive conserve ce caractère après traitement sur résine et nécessite une correction alcaline (une filtration sur neutralite conviendrait fort bien dans ce cas).
FIABILITÉ ET SOUPLESSE DE FONCTIONNEMENT
À Crépy-en-Valois, la mise en régénération est déclenchée par un comptage volumétrique de l’eau passée sur résine et la présélection d'un volume calculé en fonction de la teneur en nitrates de l'eau brute. L'intérêt majeur du procédé employé réside, en effet, en sa mise en équation selon les lois des équilibres chimiques. Il est ainsi aisé de calculer, pour un débit et une teneur en nitrates donnés de l’eau brute, le volume d'eau traitée que la résine pourra produire entre deux régénérations. La capacité de fixation des ions est constante pour chaque résine, ce qui assure une fiabilité totale de fonctionnement.
Que se passe-t-il lorsque la teneur en nitrates fluctue dans l’eau brute ?
En premier lieu, il convient de rappeler que, quelle que soit la teneur en nitrates à l’entrée du filtre de résine, celle de l'eau en sortie reste constante et inférieure à 5 mg/l tout au long du traitement. Par conséquent, si les nitrates augmentent dans l'eau brute, cela se traduit par une diminution du temps de fonctionnement entre deux régénérations et un léger accroissement de la teneur après mélange (inversement si les nitrates diminuent dans l’eau brute).
D’une manière générale, la variation de la teneur en nitrates de l'eau après mélange des fractions traitée sur résine et dérivée est proportionnelle à celle de l’eau brute.
ΔC_ET = (Q₂ / q) ΔC_EB avec ΔC_ET variation en nitrates après mélange de l'eau traitée, ΔC_EB variation en nitrates de l'eau brute, q débit total d'eau mélangée produit, Q₂ débit d’eau non traitée sur résine.
En pratique, le volume d'eau présélectionné pour déclencher la régénération est calculé sur une teneur en nitrates de l’eau brute légèrement supérieure à celle mesurée de façon à produire une mise en régénération un peu en avance sur la fin de saturation de la résine. De même, le calcul du taux de débit de dérivation d'eau non traitée sur résine est fait à partir de la teneur en nitrates de l'eau brute légèrement majorée de façon à maintenir une concentration en permanence faiblement inférieure à l'objectif retenu.
Si les nitrates fluctuent dans l’eau brute :
- @ d'une faible quantité (par exemple 5 mg/l en plus ou en moins), cela n’aura aucune incidence sur la qualité d'eau produite ;
- @ d'une forte quantité (10 mg/l ou plus)
- - en moins : cela ne gênera pas la qualité d'eau produite puisque l’objectif ne sera pas dépassé ; toutefois, un réajustement du volume présélectionné sera nécessaire si l'écart persiste dans le temps de façon à ne pas gaspiller du sel en régénérant avant l’heure ;
- - en plus : cela fera dépasser l’objectif ; la limite autorisée se situe alors entre la norme de 50 mg/l à respecter et l’objectif que l’on s'était fixé.
Par exemple, prenons une eau contenant 80 mg/l de nitrates que l'on traite en vue de la ramener à 25 mg/l.
Le débit traversant la résine (q2) sera de 0,72 fois le débit total q à produire et le débit dérivé q2 représentera donc 0,28 fois q, ce qui s’écrit :
q1 = 0,72 q q2 = 0,28 q
Or, si la teneur en nitrates de l'eau brute augmente de 10 mg/l, cela se répercutera sur l'eau traitée en raison du mélange selon la relation (1) :
ΔCET = (q2 / q) ΔCEB = 2,8 mg/l
Ainsi, l'eau produite sera à 25 + 2,8 = 27,8 mg/l en nitrates pendant le dépassement au lieu de 25 mg/l.
Si l'on considère que l'eau produite doit être inférieure à 50 mg/l à tout instant, la teneur maximale admissible en eau brute peut se calculer ainsi :
ΔCET = 50 − 25 = 25 mg/l
ΔCEB = (q / q2) × ΔCET = 1 / 0,28 × 25 = 89,3 mg/l
La teneur en nitrates de l'eau brute ne devra donc pas dépasser dans ce cas 80 + 89 = 169 mg/l.
À travers cet exemple, on perçoit que la marge de fluctuation est confortable d’autant plus que les variations des teneurs en nitrates dans l'eau brute sont très rarement brutales, mais au contraire graduelles sur plusieurs semaines. En outre, ces variations, lorsqu’elles se produisent, sont saisonnières et connues de longue date, ce qui permet d’anticiper le cas échéant, ou de réajuster le réglage du seuil de comptage volumétrique en conséquence lorsque l'écart de concentration, par rapport à la normale, persiste dans le temps.
Si d’aventure certaines eaux à traiter étaient sujettes à des variations brutales et importantes, il pourrait être opportun de contrôler, en sortie de résine, la teneur résiduelle en nitrates à l'aide d'un analyseur en continu. Un asservissement de la mise en régénération à la remontée en nitrates pourrait être appliqué. Toutefois, compte tenu des coûts prohibitifs des appareils de ce type actuellement rencontrés sur le marché, un tel dispositif doit, selon nous, être réservé à des eaux brutes de surface (rivière par exemple), éventuellement exposées à de brusques et imprévisibles variations en nitrates.
Nous avons pu vérifier à Crépy-en-Valois que, pour des fluctuations de l’eau brute en nitrates allant de 130 à 160 mg/l avec des écarts progressifs de l'ordre de 10 mg/l étalés sur une semaine, un contrôle hebdomadaire de la teneur de l'eau brute suffisait, avec réajustement du seuil volumétrique de déclenchement de la régénération, de façon à garantir à tout instant une qualité d’eau traitée conforme à la norme.
BILAN DE LA CONSOMMATION DE SEL
À Crépy-en-Valois, 150 m³ d'eau ramenée à 35 mg/l de nitrates sont produits entre deux régénérations. 84 kg de sel sont consommés à chaque régénération, soit 0,56 kg par m³ (rappelons que l'eau de Crépy, avec 180 mg/l de sulfates, est pénalisante).
Ainsi, en prenant l'exemple d'une eau qui contient 80 mg/l de nitrates et seulement 50 mg/l de sulfates (type d'eau plus souvent rencontré), la consommation de sel s’établit toujours à 84 kg par régénération mais la production d'eau, pour revenir à 25 mg/l par exemple, est de 390 m³ avec un appareil de la taille de celui de Crépy-en-Valois, ce qui ramène la consommation de sel dans ce cas à 0,21 kg par m³.
En conséquence, la consommation de sel sera fonction de la qualité de nitrates à éliminer et de la teneur en sulfates de l'eau brute. Un calcul rapide permet d'y accéder facilement dans chaque cas.
ÉLUATS DE RÉGÉNÉRATION
Les « éluats » de régénération proviennent de la solution qui sort de la résine au cours du passage du régénérant et du rinçage à l'eau qui le suit. Pendant cette opération, les ions nitrates et sulfates notamment sont « élués » de la résine après échange par des ions chlorures (ou hydrogénocarbonates). Il en résulte une solution comprenant en moyenne :
- l'excès de chlorure de sodium qui n’a pas réagi (13 g/l de chlorures, 15 g/l de sodium) ;
- les nitrates et les sulfates préalablement fixés lors du traitement (entre 5 et 13 g/l selon les eaux brutes à traiter) ;
- un peu d'ions hydrogénocarbonates (environ 2 g/l) et de matières organiques (30 à 40 g/l de C.O.T.) fixés lors du traitement.
À Crépy-en-Valois, le volume d’éluats représente 2,24 m³ à chaque régénération, soit 1,5 % du volume produit. Il est intéressant de noter que cela est voisin du maximum. En effet, en reprenant l'exemple précédent avec une eau brute de 80 mg/l en nitrates ramenée à 25 mg/l, le volume d’éluats
demeure inchangé (2,24 m³) mais le volume d'eau traitée produit s'élève à 390 m³ soit alors un pourcentage d'éluats correspondant à environ 0,6 % du volume produit.
DEVENIR DES ÉLUATS
À Crépy-en-Valois, les éluats sont évacués à l'égout dans le réseau d'assainissement de la ville.
Dans d'autres cas où l'on ne disposera pas d'égout dans le voisinage il sera nécessaire d'examiner, au coup par coup, chaque situation locale pour définir la solution la moins pénalisante tant au point de vue environnement que du point de vue économique. Dans l'état actuel de nos connaissances, la solution consiste à diluer au maximum le rejet par une eau courante passant à proximité. Pour limiter l'impact sur le milieu récepteur, il est possible de stocker les éluats (en raison du faible volume qu'ils représentent) et d'étaler leur rejet sur 24 h. Le rejet à l'égout doit également être étalé sur 24 h pour profiter au maximum de la dilution par l'effluent arrivant à la station d'épuration (réseau unitaire) ; en cas de réseau séparatif, le rejet peut se faire dans le pluvial.
En bordure de mer, un stockage en citerne mobile avec des rotations périodiques pour rejet en mer est envisageable ; il en est de même lorsque les éluats doivent être transportés vers un point de rejet voisin.
Selon les cas, pour réduire les frais de transport, il peut être proposé de fractionner le rejet en deux parties l'une concentrée, à transporter et l'autre diluée, à évacuer sur le site ; en bref, chaque cas doit être examiné en tenant compte des impératifs locaux.
COÛT DE FONCTIONNEMENT
Après plus d'un an de suivi du pilote de Crépy-en-Valois, il est possible d'estimer le coût de fonctionnement, lequel peut se décomposer comme suit pour une installation qui aurait à traiter, par exemple, une eau à 80 mg/l de nitrates en vue de la ramener à 25 mg/l ; nous supposerons la teneur en sulfates égale à 50 mg/l pour reprendre le cas cité plus haut et la production d'eau journalière voisine de 1 000 m³, les prix étant dans chaque cas ramenés au m³ produit.
– Sel
Avec une régénération journalière, la consommation de sel s'élèvera à 0,21 kg ce qui, au prix moyen de 800 F la tonne de sel, reviendra à 0,17 F.
– Résine
Un renouvellement de la résine est à prévoir selon l'utilisation qui en est faite tous les 5 à 8 ans. Calculé sur la base de 5 ans, le prix de revient s'élèvera à 0,035 F pour ce poste.
– Électricité
Un surcoût de dépense en énergie est à prévoir par rapport aux installations existantes, pour vaincre la perte de charge dans l'installation (6 m environ) et assurer les fonctionnements de la pompe à saumure et des vannes automatisées. Au total, la dépense supplémentaire en électricité s'élèvera à 0,02 F.
– Main-d'œuvre
Dans la mesure où une installation de pompage existe, avec un poste de désinfection, les visites périodiques de surveillance sont nécessaires. En y ajoutant le procédé Nitracycle dont le fonctionnement est assuré par automate, le surcoût de main-d'œuvre sera négligeable (1 à 2 centimes).
Pour un nouveau forage à équiper, le coût de main-d'œuvre comprenant la surveillance avec analyses périodiques de contrôle des nitrates (une fois par semaine par exemple) et l'entretien normal du matériel peut ainsi s'estimer à 0,055 F (y compris la surveillance et l'entretien du pompage et du poste de désinfection).
Ainsi, sans compter le renouvellement du matériel, ni le surcoût engendré par le rejet des éluats de régénération, nous arrivons à un coût de fonctionnement de l'ordre de 25 à 30 centimes.
En ce qui concerne les éluats, la dépense peut aller d'un simple rejet direct à l'égout (en passant par une cuve de stockage pour étaler le rejet avec une petite pompe de relèvement éventuel) au transport vers un point de rejet approprié. Nous ne pouvons pas, dans le cadre de cet article, donner un chiffrage de chaque cas mais le coût d'amortissement du poste « rejet » peut, soit être négligeable (égout, citerne fixe pour étalement), soit représenter 0,10 F par exemple pour un transport sur 30 km aller-retour, dans le cas traité plus haut.
Le coût de renouvellement du matériel représente dans l'exemple traité 4 à 5 centimes.
Au total, sans compter l'investissement à amortir, le coût du mètre cube produit sera compris entre 30 (dans le meilleur des cas) et 45 centimes pour l'exemple que nous avons retenu.
– Investissement
Il n'est pas dans notre intention de donner des chiffres sans détailler ce qu'ils représentent. Aussi, chaque installation ayant sa spécificité relative au lieu d'implantation, nous pourrons étudier chaque cas qui nous sera soumis pour en dégager une enveloppe de prix. Toutefois, il faut retenir que le prix varie lentement en fonction de la taille de l'installation, du fait que certains postes restent fixes (armoire de commande électrique, automate programmable, stockage et distribution du sel par exemple) : ainsi en passant de 10 à 100 m³/h (fraction de débit traité sur résine), le prix de vente de l'installation ne fait que doubler.
Quant à la répercussion du coût d'investissement sur le prix du m³ d'eau, cela sera fonction des aides accordées (Agences de bassin, ministère de l'Agriculture, région, département) et du mode de financement retenu par chaque collectivité.
* * *
En conclusion nous constatons que l'idée d'un coût élevé du traitement d'élimination des nitrates, qui s'est répandue avec l'emploi des procédés biologiques, est à reconsidérer avec l'agrément d'un procédé à résine tel que le Nitracycle.
