La Communauté d'Agglomération Hénin-Carvin (Pas-de-Calais) prélève environ 7,2 millions de m3 d'eau par an à partir de ses différents captages et alimente quelque 175 000 habitants (Communauté d'Agglomération d'Hénin-Carvin, plus les communes limitrophes de la Communaupole de Lens-Liévin). Le captage de Courrières produit, à lui seul, 1 million de m3, soit près de 15 % de la production totale, pour alimenter la zone nord de la collectivité. Sur ce forage, l'abaissement récent des limites de qualité (de 50 à 20 ?g/l) sur le paramètre nickel a amené la collectivité à réfléchir aux moyens de revenir à une situation conforme. Des essais de traitement ont ainsi été menés de 2004 à 2007 afin de déterminer quel pourrait être le procédé optimum pour cette installation ? tant en laboratoire que sur pilote industriel.
François Philipps, Stéphane Dassonneville, Veolia Eau Yannick Van-Es, Communauté d’Agglomération Hénin-Carvin Karine Vallée, Agence de l’Eau Artois Picardie
La Communauté d’Agglomération Hénin-Carvin (Pas-de-Calais) prélève environ 7,2 millions de m³ d’eau par an à partir de ses différents captages et alimente quelque 175,000 habitants (Communauté d’Agglomération d’Hénin-Carvin, plus les communes limitrophes de la Communaupole de Lens-Liévin). Le captage de Courrières produit, à lui seul, 1 million de m³, soit près de 15 % de la production totale, pour alimenter la zone nord de la collectivité. Sur ce forage, l’abaissement récent des limites de qualité (de 50 à 20 μg/L) sur le paramètre nickel a amené la collectivité à réfléchir aux moyens de revenir à une situation conforme. Des essais de traitement ont ainsi été menés de 2004 à 2007 afin de déterminer quel pourrait être le procédé optimum pour cette installation – tant en laboratoire que sur pilote industriel.
La Communauté d’Agglomération d’Hénin-Carvin prélève environ 7,2 millions de m³ d’eau par an à partir de ses captages et alimente 175,000 habitants (126,000 habitants de la Communauté d’Agglomération d’Hénin-Carvin, plus quelques communes situées à l’extérieur de son territoire). La production d’eau potable sur le champ captant de Quiéry-la-Motte (Sud-Est) s’élève à 5 millions de m³ (1), ce qui représente environ 65 % des prélèvements et celui du forage de Courrières (Nord-Ouest) fournit environ 15 %, le reste de la production est issu des 4 autres forages de Rouvroy, Noyelles et Courcelles.
Le captage dans la craie (2) situé à Courrières (Pas-de-Calais) permet d’alimenter en eau potable la partie nord de la Communauté et plus particulièrement les communes de Courrières, Carvin, Oignies et Libercourt. Cette production d’eau représente près de 3600 m³ par jour et 1,050,000 m³ par an. Ce forage est protégé en application de
Nickel, Traitement, Décarbonatation catalytique
L’arrêté préfectoral de DUP (déclaration d’utilité publique) daté du 18 juillet 2003. Jusqu’alors, la qualité des eaux brutes de Courrières a toujours été conforme aux réglementations successives concernant les eaux destinées à la consommation humaine.
Ces eaux brutes sont néanmoins très dures, avec un titre hydrotimétrique pouvant atteindre, voire dépasser, les 50 degrés français.
Afin d’adoucir l’eau produite à Courrières et d’en améliorer ainsi les usages, une unité de décarbonatation suivie d’une filtration sur sable a été construite à la fin des années 60. La filière mise en œuvre est la suivante :
- • Traitement de décarbonatation catalytique à la soude ;
- • Correction de pH à l’acide sulfurique (si besoin) ;
- • Filtration sur sable ;
- • Désinfection au chlore ;
- • Stockage de l’eau traitée au château d’eau situé à l’usine même : capacité 1 000 m³.
Ce traitement, initialement effectué à partir d’une injection de lait de chaux à travers un réacteur de décarbonatation catalytique, a été réhabilité en 2000.
Le réactif utilisé dorénavant est la soude. Depuis sa remise en service, l’unité de décarbonatation de Courrières a parfaitement rempli ses objectifs en produisant une eau d’une dureté ramenée entre 30 et 35 °F.
La teneur en nickel à Courrières a toujours été de l’ordre de 35 µg/l. Cette concentration était jusqu’alors largement en deçà de la limite de 50 µg/l préconisée par le décret 1989-3. Désormais, la limite acceptable a été diminuée à 20 µg/l par le décret 2001-1220. (3)
Une étude a été réalisée afin de déterminer les conditions d’une possible élimination du nickel de l’eau par la décarbonatation catalytique, à l’aide de différents réactifs alcalins et d’évaluer les principales solutions à mettre en œuvre pour permettre la production d’une eau conforme aux normes en vigueur.
Le nickel dans l’eau potable
Les principales origines du nickel (4) peuvent être classifiées comme suit :
- - Géologique, comme constituant naturel des roches, en association avec des sulfures de fer présents sous forme de pyrite ou de marcassite ;
- - Provenant des activités industrielles : la galvanoplastie, les fonderies et aciéries, les raffineries de pétrole, les cimenteries,
l'imprimerie, les industries chimiques, les fabricants de batteries Ni Cd.
- Conséquences des activités humaines : Les boues de station d’épuration en fonction des industriels raccordés, les eaux de ruissellement, les apports atmosphériques, les engrais.
L'origine du nickel dans la ressource de Courrières est considérée comme étant d'origine géologique (5/6/7/8). Le nickel est associé au sulfure de fer, qui en s’oxydant libère du fer ferreux et de l’acide sulfurique (présence permanente de fer dissous et un pH légèrement inférieur à 7 au point de captage et rapport Cobalt/Nickel supérieur à 1/10 : 0,12 à 0,2).
Cette concentration n’est pas ou peu influencée par les variations saisonnières de la hauteur de nappe, ni par les variations de régime d’exploitation qui peuvent être occasionnées lors d’un changement de pompe de forage. On peut donc considérer que le nickel provient de l’oxydation de la marcassite, présente sous forme de nodules dans la craie mais également commune dans les terrains houillers, ou de la pyrite. Le nickel est un élément dont le niveau de qualité a été ramené par l'OMS à 20 µg/l (Guideline for Drinking Water Quality, 2ᵉ édition, vol. 2, 1996), repris par la Directive européenne 98/83 de 1998 puis en France par le décret d’application 2001-1220 du 20 décembre 2001 concernant la qualité des eaux destinées à la consommation humaine.
Ce décret, codifié depuis dans le Code de la santé publique et entré en application le 25 décembre 2003, précise que le nickel est un paramètre physico-chimique dont la nouvelle norme, abaissée de 50 à 20 µg/l, constitue une limite dans les eaux distribuées.
L’évolution de la norme a été établie notamment sur la base du risque de dissolution des alliages contenant du nickel dans les réseaux et installations intérieures, notamment lorsque les eaux sont agressives. Cette considération est une conséquence du changement de point de contrôle du compteur général au robinet des consommateurs, au même titre que la problématique des branchements en plomb.
Ce durcissement de la norme ne concerne donc a priori pas les ressources car il est très rare que du nickel soit présent à l'état géologique comme c’est le cas dans le Nord de la France. Les ressources en eau de Courrières font partie des exceptions telles que l'on peut en trouver au sud de Lille, dans le Douaisis et en Lorraine. La présence de nickel n’est alors pas due à une pollution industrielle ou à une dégradation des réseaux de distribution.
Les essais de traitabilité en laboratoire (9)
Nous avons déterminé par des essais de jar-test en laboratoire la relation reliant
L’élimination du nickel à la dose de réactif alcalin appliquée, et cela pour plusieurs réactifs :
- la soude (NaOH) ;
- la potasse (KOH) ;
- la chaux (Ca(OH)₂) ;
- un mélange de ces réactifs, en fonction des résultats obtenus.
Les essais ont été réalisés par Anjou-Recherche (AR) à Maisons-Laffitte (mesure in situ du pH, TA et TAC). Les analyses de nickel, sodium et potassium, quant à elles, ont été confiées au Centre d’Analyses Environnemental (CAE) de St-Maurice.
Les résultats obtenus montrent que la quantité de soude nécessaire pour respecter la norme de qualité fixée à 20 µg/l de nickel est limite pour respecter la norme en sodium, de 200 mg/l. En effet, le pH efficace nécessaire pour l’élimination du nickel est élevé.
Les essais en laboratoire basés sur un mélange de réactifs (soude + chaux) montrent que l’on peut obtenir une concentration en nickel dans l'eau de l’ordre de 15 µg/l avec des concentrations en sodium ne dépassant pas la norme.
En parallèle, il convient de préciser que les essais en laboratoire ont montré un comportement de la potasse identique à celui de la soude. Toutefois, le recours à ce réactif nécessiterait une démarche administrative lourde et incertaine car la potasse n’est pas agréée à ce jour. De même, il convient de rappeler que l’ancienne valeur guide fixée pour ce paramètre dans le décret 89-3 était de 12 mg/l, soit 24 fois plus faible que la teneur en potassium dans l'eau alors après traitement.
L’utilisation de chaux seule aussi pourrait être envisagée puisqu’elle permet l'augmentation du pH de l'eau à traiter. Compte tenu des résultats des essais, il ressort que les quantités de chaux à mettre en œuvre pour respecter les 20 µg/l en nickel restent très conséquentes et ne permettent pas de garantir une qualité des eaux traitées satisfaisante (turbidité, TA, TAC). Par ailleurs, la mise en œuvre de taux de traitement aussi importants nécessiterait des investissements en termes de préparation du lait de chaux, et des conditions d’exploitation (sécurité, conditions de travail...) beaucoup moins satisfaisantes.
L’utilisation combinée de la soude et de la chaux conduirait à une meilleure utilisation de la ressource en eau de Courrières. Ce point a été vérifié sur site par la réalisation d’essais pilote à l’échelle industrielle.
Le traitement sur pilote industriel sur site (10)
Principe général
La décarbonatation catalytique se produit lors de l’ajout d’un réactif alcalin qui provoque une réaction catalytique rapide sur un réseau cristallin de carbonate de calcium.
La sursaturation nécessaire à la cristallisation est obtenue en augmentant le pH (pH 8,3 environ) par ajout d’un réactif alcalin. Les grains de silice jouent le rôle de germes de cristallisation autour desquels se développe le réseau cristallin de CaCO₃. On obtient des billes de tailles variables suivant le temps de séjour dans la zone de réaction, que l’on soutire périodiquement. En sortie de réacteur, une acidification puis une filtration sont réalisées afin d’obtenir une eau claire à pH de distribution.
Décarbonatation à la soude (NaOH)
Le principe très simplifié de la décarbonatation catalytique à la soude est le suivant :
Ca + 2HCO₃ + NaOH → CaCO₃ + HCO₃ + H₂O + Na
La réaction globale tend à la réduction d’un bicarbonate pour un calcium.
Décarbonatation à la chaux (Ca(OH)₂)
Le principe de la décarbonatation catalytique à la chaux est le suivant :
Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ → 2CaCO₃ + 2H₂O 2CO₃ + Ca(OH)₂ → Ca(HCO₃)₂
La réaction globale tend à la réduction de deux bicarbonates pour un calcium.
Rôle dans l’abattement du nickel
Les métaux de transition précipitent facilement sous forme d’hydroxydes. Les équilibres entre précipités et formes solubles sont régis par les constantes thermodynamiques des espèces et les conditions en solution. Cette réaction est favorisée par l’augmentation du pH :
Ni²⁺ + 2 OH⁻ → Ni(OH)₂ pK = 14,7
Description du pilote de décarbonatation
Le pilote installé sur le site de Courrières a une capacité de traitement de 45 m³/h. Le réacteur de traitement de section carrée 0,50 m² mesure 4,50 m de hauteur. Il est rempli initialement sur 1,20 m de sable (soit 880 kg environ) et est équipé de 8 cannes d'injection de réactifs alcalins (après dilution avec de l’eau adoucie).
Le principe de traitement consiste à faire transiter l'eau brute dans un réacteur au sein duquel un lit de sable est fluidisé par un courant ascendant d’eau. L’injection simultanée de soude et de chaux permet de provoquer la réaction catalytique très rapide qui se caractérise par une précipitation du calcium sous forme de carbonate de calcium sur les grains de sable.
L’eau est injectée à la base du réacteur à travers un plancher crépiné qui assure une répartition homogène du débit. L’expansion du lit est obtenue en maintenant une vitesse de fluidisation élevée comprise.
Entre 80 et 100 m/h, le grain de sable joue le rôle du catalyseur. Par augmentation localisée et rapide du pH de l'eau, il s'enrobe d'un précipité de carbonate de calcium et de nickel.
Le sable, d'un diamètre initial de 500 μm, grossit et forme des billes de carbonate. Les billes ainsi formées sont régulièrement soutirées à la base du réacteur dès qu'elles atteignent la taille optimale (1 à 2 mm de diamètre). Pour maintenir constante la quantité de sable, le réacteur est alimenté en sable après chaque soutirage.
L'eau brute provient directement du forage dans lequel est placée une pompe immergée. Le pilote est alimenté dans sa partie inférieure par de l'eau à traiter à un débit pouvant atteindre 45 m³/h. Un débitmètre électromagnétique permet de contrôler le débit.
Les réactifs (soude et/ou chaux) sont injectés dans le réacteur, après dilution avec de l'eau adoucie. Une pompe doseuse permet d'ajuster le débit de réactif alcalin en fonction du débit d’eau à traiter.
Le mouvement ascendant de l’eau dans le réacteur permet de maintenir en suspension le microsable et les billes de carbonate de calcium formées.
L'eau traitée est évacuée par la partie supérieure du pilote qui comporte un piquage pour le prélèvement d’échantillons et le contrôle de la qualité des eaux traitées. En partie basse du pilote, un système de soutirage permet d’évacuer les billes lorsqu'elles ont atteint leur taille optimale pour le maintien d'une bonne fluidisation du lit de billes.
Essais de traitement combiné soude + chaux
Les principaux résultats obtenus à l'issue des différents essais réalisés, pendant plusieurs jours, sur le pilote sont repris dans le tableau ci-dessous.
Les réactifs (soude + chaux) donnent des résultats similaires au traitement à la soude ou au traitement à la chaux.
Le pH minimum pour obtenir une concentration en nickel à l'objectif de 15 μg/l se situe aux environs de 9.
En synthèse, les concentrations optimisées de réactif sont :
- - 200 mg/l de soude (NaOH) et 130 mg/l de chaux (Ca(OH)₂)
- - 170 mg/l de soude et 200 mg/l de chaux
L'eau traitée par ces dosages présente :
- - une teneur en nickel d’environ 15 μg/l ;
- - un TH proche de 15 : eau douce ;
- - un TAC proche de 20 °F ;
- - un taux de sodium compris entre 140 et 160 μg/l (inférieur à la norme).
Les essais de décarbonatation avec une combinaison de soude et de chaux sur l'eau brute actuelle permettent de formuler les résultats suivants :
Le traitement combiné permet un abattement du nickel conforme à l’objectif de traitement de 15 μg/l de nickel, et le respect de la teneur en sodium.
La mise en distribution nécessite de remettre l'eau à l’équilibre calco-carbonique avec un pH d’équilibre proche de 7,9. Cette remise à l’équilibre peut être effectuée par injection d’acide sulfurique.
Le procédé de désinfection des eaux au chlore gazeux impose également une contrainte sur le pH de l'eau qui doit être maintenu à des valeurs inférieures à 8,0 pour garantir une bonne efficacité.
L'eau produite reste à l’équilibre tout en bénéficiant d’un abattement important de la dureté (teneur ramenée à environ 15 °F pour 56 °F en eau brute).
La turbidité de l'eau en sortie de réacteur nécessite une filtration sur sable (existante actuellement).
Le traitement augmente la corrosivité de l’eau. Cette tendance est d’autant plus marquée que la part de la chaux dans le traitement combiné est importante. Le mélange combiné devra donc présenter une concentration en soude maximale afin de ne pas dépasser la limite réglementaire sur le sodium et apporter un complément de chaux afin d’atteindre le pH nécessaire de 9 pour l’obtention de 15 μg/l de nickel dans l'eau traitée.
Ce réglage permet également de limiter la turbidité de l'eau en sortie de tour de décarbonatation catalytique et donc de moins solliciter les filtres à sable avant production (réduction des volumes consommés pour le lavage par rapport à un traitement à la chaux seule). Enfin, l'augmentation de l'apport de réactifs alcalins entraîne le doublement de la production de billes.
En effectuant le bilan nickel sur les billes extraites du gyractor, on obtient un bilan d’environ 60 mg Ni/kg de matières sèches.
Cette teneur reste bien inférieure à la limite réglementaire de 200 mg Ni/kg MS (Arrêté du 8 janvier 1998 relatif à l'épandage des boues sur les sols agricoles).
Conclusion
Le traitement à la soude seule ne permet pas d’obtenir une eau conforme simultanément pour les paramètres nickel et sodium sur les eaux du forage de Courrières.
Le traitement à la chaux seule permet un abattement légèrement plus performant sur le nickel. Cependant, la forte réduction du TAC associée produit une eau très fortement corrosive.
Le traitement combiné permet d’obtenir un résultat sur le nickel intermédiaire entre les deux réactifs seuls. Sur la base d’une injection de soude à hauteur de 200 mg/l et d'un apport complémentaire de chaux de 130 mg/l, l'unité de traitement permettra :
- ☑ le traitement du nickel à l’objectif de 15 µg/l,
- ☑ le respect de la norme du sodium,
- ☑ l’optimisation du coût de traitement,
- ☑ la production d'une eau adoucie à 20 °F,
- ☑ la mise en réseau d'une eau moins corrosive comparativement à un traitement par la chaux seule,
- ☑ la réduction du potentiel de dissolution du plomb.
La turbidité de l'eau sera réduite en sortie de tour de décarbonatation catalytique par rapport à un traitement à la chaux seule, ce qui permet de moins solliciter les filtres à sable avant production et de réduire les volumes d’eau consommés pour les lavages.
La solution combinée présente l’avantage de pouvoir bénéficier des installations de traitement à la soude existantes tout en apportant les performances de la chaux pour le traitement du nickel.
Elle apporte également une grande souplesse dans le traitement en permettant de faire évoluer facilement les réglages en fonction des exigences sur la qualité de l'eau à produire.
Le site de Courrières est actuellement équipé d’un traitement par décarbonatation catalytique à la soude. Les équipements existants seraient conservés et utilisés dans le cadre de l’aménagement de l’installation pour le traitement du nickel (Fig. 10).
En parallèle, la Communauté d’Agglomération d’Hénin-Carvin étudie des solutions alternatives moins onéreuses ; à savoir la dilution des eaux de Courrières par les eaux en provenance de Quiéry-la-Motte qui ne contiennent pas de nickel.
Enfin, une révision des normes de potabilité est en cours (11), et la limite de qualité pourrait être légèrement augmentée (la valeur paramétrique de 30 µg/l est proposée).
