L’auteur de cet article expose des expériences faites avec divers systèmes de préparation d’eau potable, en examinant les progrès réalisés dans les équipements mécaniques et les procédés chimico-physiques qui y sont appliqués. Il évoque en particulier le traitement d’eaux brutes de mauvaise qualité, tant en Europe que dans les contrées tropicales. Il examine également les résultats problématiques de la chloration préliminaire, appliquée en Suisse contre les larves de D.P.P. (Dreissena polymorpha Pallas).
L’évolution réalisée ces derniers temps dans les équipements mécaniques et les procédés chimico-physiques, comme par exemple l’emploi de mélangeurs statiques et l’application de l’ozone avec des pH supérieurs à 8,5, avec ou sans catalyseurs, ouvre des possibilités nouvelles et intéressantes dans la préparation d’eau potable. Les nombreux problèmes soulevés par la qualité très variable des eaux de surface et souterraines peuvent toutefois être résolus par une adaptation adéquate de techniques et procédés déjà connus ; c’est par exemple le cas de la préparation d’eau potable à partir d’eaux fortement chargées, dans des régions dépourvues d’industries et à faible densité de population de pays extra-européens.
L’étude d’installations de traitement d’eau potable dans le tiers-monde impose des procédés bien adaptés aux possibilités technologiques et humaines régnant dans ces régions. Le facteur n’est pas donné, ici, seulement par la qualité de l’eau brute et par les exigences posées à l’eau traitée, mais aussi par l’infrastructure de la région qu’il s’agit d’alimenter. L’installation la mieux étudiée et la mieux exécutée ne sera pas d’une grande utilité si son fonctionnement correct ne peut pas être assuré, faute de personnel qualifié et de produits chimiques nécessaires. Dans des pays avec un excédent de main-d’œuvre non qualifiée et trop peu de personnel technique spécialisé, les installations hautement automatisées sont peu justifiées socialement et conduisent souvent à des difficultés d’exploitation.
Les investigations et techniques de traitement décrites dans ce qui suit sont une conséquence des considérations et situations exposées ci-dessus.
N. D. L. R.
Étant donné l’importance de cette étude, elle sera présentée dans notre revue en deux parties, dans deux numéros de L’EAU et L’INDUSTRIE, à savoir :
- 1ʳᵉ partie : « Nouveaux développements dans les procédés de traitement ».
- 2ᵉ partie : « Adaptation de techniques de traitement connues à l’épuration d’eau dans les régions tropicales » et « Examen critique de la chloration préliminaire contre la Dreissena polymorpha Pallas dans la préparation d’eau potable ».
2ᵉ PARTIE
ADAPTATION DE TECHNIQUES DE TRAITEMENT CONNUES À L’ÉPURATION D’EAU DANS LES RÉGIONS TROPICALES
INTRODUCTION
L'eau brute en provenance de marais tropicaux et destinée à la préparation d'eau potable est caractérisée par sa coloration brunâtre et sa haute concentration en matières organiques. Une caractéristique principale de la région considérée ici est la mauvaise évacuation des eaux stagnantes. Exception faite de quelques rivières assez importantes, de nombreux cours d’eau qui pourraient assainir ce territoire se perdent dans les marais d'eau douce.
Vers le milieu de la saison des pluies, alors que les rivières et ruisseaux sortent de leur lit, toute la contrée se transforme en un paysage encore plus morne, dans lequel les herbes et les buissons sur les rives des cours d’eau se trouvent sous l'eau, tandis que dans les marécages le sol argileux est souvent couvert de feuilles mortes et la surface de l’eau jonchée de plantes aquatiques. La saison sèche fait apparaître de nombreux bassins naturels qui seront plus tard, au retour des pluies, balayés et reliés en une seule nappe par le ruissellement des eaux.
Les caractères particuliers de l'eau brute sont donc fortement influencés par les propriétés spéciales de la région ainsi décrite, et sa charge en matières organiques est naturellement, pour la plus grande partie, la conséquence de la putréfaction et du délavage de substances végétales.
ANALYSE DE L’EAU BRUTE
Le tableau 6 donne les résultats des analyses faites sous diverses conditions, se rapportant aussi bien aux périodes de sécheresse.
TABLEAU 6
Eau brute en provenance des marais d’eau douce sous les tropiques
| 22.2 | 25.2 | 1.3 | 3.3 | 9.3 | 20.3 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Température °C | 28 | 28 | 28 | 27 | 24 | 24 |
| pH | 5.4 | 5.2 | 5.2 | 5.1 | 4.6 | 5.5 |
| TAC mval/l | 0.25 | 0.30 | 0.30 | 0.25 | 0.25 | 0.30 |
| Coloration mg Pt/l | 170 | 180 | 160 | 160 | 475 | 200 |
| Turbidité FTU | 22 | 45 | 40 | 40 | 33 | 23 |
| Matières en suspension mg/l | 10 | 2 | 2 | 2 | — | — |
| Oxydabilité au KMnO₄ mg/l | 55.3 | 59 | 68 | — | 300 | 130 |
| Oxygène mg/l | 0.1 | 0.6 | 0.6 | — | 0.3 | 0.3 |
| Matières humiques mg/l | 25 | 20 | 21 | 20 | — | — |
| Sulfates mg/l | 0 | 0 | 0 | 0 | — | — |
| Phosphates mg/l | 0.82 | 0.65 | 0.70 | 0.75 | 0 | 0 |
| Nitrates mg/l | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Nitrites mg/l | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Sulfures mg/l | 1 | 0 | 1 | 0 | — | — |
| Fer mg/l | 4.1 | 0.95 | 1.1 | 1.0 | 0.3 | 0.25 |
| Manganèse mg/l | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0 | 0 |
| Azote amm. mg/l | 0.38 | 0.45 | 0.40 | 0.42 | — | — |
(février-mars), qu'à la saison des pluies (août). Cette eau brute et colorée, très douce et agressive, contenant d’importantes quantités de matières humiques, accuse une forte consommation de permanganate de potassium.
L'investigation hydrobiologique de cette eau a fait ressortir la présence de nombreuses colonies et pellicules de bactéries d’un diamètre variant entre 50 et 300 µ, avec de nombreuses minces pellicules brunes de détritus, et quelques petits filaments de moisissure, à peine plus longs que 100 µ ; l'eau contient encore d'autres organismes, tels que : quelques filaments d’Oscillatoria, Closterium gracile, Closterium Ehrenbergii, Closterium Kützingii ; des algues vertes fibreuses telles que Mougeotia, Debarya, de rares Spirogyra ; des algues siliceuses telles que l’Eunotia lunaris, trois sortes différentes de Navicula, Nitzschia acicularis, Pinnularis, Stauconeis anceps, Synedra acus, amibe valvulée Thecamoeba, cf. Arcella. On a trouvé dans un millimètre cube de cette eau :
- 57 colonies de bactéries et minces pellicules brunes
- 6 minces filaments cryptogamiques
- 1 filament d’Oscillatoria
- 1 Closterium
- 1 Debarya
- 8 Eunotia
- 12 Navicula
- 3 Nitzschia
- 1 Synedra.
Il est possible que l'eau ait contenu aussi initialement beaucoup de flagellés qui, à la longue, se sont transformés en détritus.
INSTALLATION PILOTE
Aux fins de vérifier l'efficacité de la technique de traitement étudiée pour produire de l'eau potable à partir de cette eau brute, on a installé pied d'œuvre une station-pilote, représentée par la figure 16 et comprenant :
- a) vase de réaction avec station de dosage pour le sulfate d’aluminium et l'hydroxyde de calcium,
- b) récipient de sédimentation avec retour des boues,
- c) filtration,
- d) adsorption,
- e) injection d’oxygène,
- f) protection biologique du réseau de conduites,
- g) mise à l’équilibre du pH.
RÉSULTATS DES ESSAIS
Les premières investigations étaient destinées à fixer les conditions les plus favorables pour l'application de ce procédé. La figure 17 fait ressortir le pH optimal dans la floculation par sulfate d’aluminium et situé aux environs de 5, tandis que la figure 18 montre la relation entre la diminution relative de la coloration, du degré de turbidité et de la consommation de permanganate de potassium, en rapport avec les valeurs de l'eau brute, et le dosage de l’apport de sulfate d’aluminium. On peut y constater que le dosage le plus avantageux de l'agent de floculation est d’environ 50 à 60 mg/l.
On trouve dans le tableau 7 les caractéristiques essentielles de l'eau obtenue après la filtration ou après l’adsorption, tandis que le tableau 8 donne une comparaison entre l'eau préparée suivant cette technique et l'eau potable de deux villes situées dans le voisinage de l'installation d’essais.
Les valeurs indiquées dans ces tableaux confirment que l'eau provenant des marécages tropicaux peut être convertie en eau potable irréprochable, bien que cette eau brute renferme des quantités considérables de souillures naturelles. À cet égard, le pH optimal joue un rôle important lors de la floculation et de la sédimentation.
[Figure : Effet du sulfate d'aluminium, suivant le pH, sur la diminution de coloration et la consommation de permanganate de potassium – Dosage de 50 mg/l de sulfate d’aluminium – Figure 17] [Figure : Diminution de la coloration, du degré de turbidité et de la consommation de permanganate de potassium, suivant le dosage du sulfate d’aluminium – Figure 18]TABLEAU 7
Caractéristiques principales de l'eau après filtration ou adsorption
| Après la filtration | Après l’adsorption | |||
|---|---|---|---|---|
| Mesure | Diminution (%) | Mesure | Diminution (%) | |
| Coloration …… Pt/Co | < 0,1 | 100 | 0 | 100 |
| Turbidité ……… FTU | < 0,1 | 100 | 0,1 | 100 |
| Matières en suspension …… mg/l | < 0,1 | 100 | < 0,1 | 100 |
| Oxydabilité au KMnO₄ ……… mg/l | 4,7 | 93 | 2,7 | 96 |
| Fer ………… mg/l | < 0,02 | 100 | 0,02 | 100 |
| Aluminium ……… mg/l | < 0,01 | – | 0,01 | – |
| N (NH₄) ……… mg/l | < 0,02 | 100 | 0,02 | 100 |
| Sulfates ………… mg/l | 24 | – | 24 | – |
| Matières humiques ……… n.n. | 100 | n.n. | 100 | |
TABLEAU 8
Comparaison entre les eaux préparées suivant notre système et les eaux potables de deux villes situées dans le voisinage
| Installation pilote | Eau potable Ville 1 | Eau potable Ville 2 | Eau brute | |
|---|---|---|---|---|
| Température °C ………………… | 27 | 27 | 24 | 28 |
| pH ………………………………… | 6,8 | 6 | 5 | 5 |
| Coloration …… Pt/Co | < 0,1 | 22 | 60 | 118 |
| Turbidité ……… FTU | 0,1 | 9 | 28 | 45 |
| Matières en suspension …… mg/l | 1 | 1 | 16 | 2 |
| Oxydabilité au KMnO₄ ……… mg/l | 2,7 | 14,2 | 5 | 68 |
| Substances humiques ……… mg/l | n.n. | 2 | 1 | 20 |
| Fer ……………………… mg/l | 0,02 | 0,18 | 0,78 | 1,1 |
| N (NH₄) ………… mg/l | < 0,02 | 0,1 | 0,08 | 0,45 |
EXAMEN CRITIQUE
DE LA CHLORATION PRÉLIMINAIRE
CONTRE LA DREISSENA POLYMORPHA PALLAS
DANS LA PRÉPARATION D’EAU POTABLE
En Suisse aussi bien que dans d’autres pays d’Europe on procède à une chloration préliminaire de l'eau pour combattre les larves de la Dreissena polymorpha Pallas, mais au cours de ces trois dernières années diverses voix se sont sérieusement élevées pour attirer l’attention sur les dangers des hydrocarbures chlorés résultant de cette opération.
Une investigation faite sur le plan national aux États-Unis sur la teneur en matières organiques halogénées dans les eaux potables a permis de constater, parmi les hydrocarbures halogénés les plus fréquents, la présence de chloroforme (trichlorométhane), de bromodichlorométhane, de dibromochlorométhane et de bromoforme (tribromométhane).
La plus haute concentration de chloroforme décelée aux États-Unis dans l'eau potable a été de 0,366 mg/l [11] ; cette substance n’a toutefois pas seulement été trouvée en concentration plus élevée, mais elle s’est aussi montrée la plus fréquente. S'il est vrai que les concentrations décelées jusqu’ici pour ces substances ne présentent encore aucun danger aigu de toxicité, elles n’en risqueraient pas moins, absorbées pendant un temps assez long, de soulever de sérieux problèmes pour la santé de la population. Il a en effet été prouvé que le chloroforme aussi bien que le trichloréthylène et le tétrachlorure de carbone sont cancérigènes pour les animaux.
On a trouvé, dans l’installation de Preston, de la Miami-Date Water and Sewer Authority, les valeurs suivantes [12] :
| Eau brute | Eau potable | mg/l | |
|---|---|---|---|
| Chloroforme ………………… | 0 | 311 | |
| Bromodichlorométhane …… | 0 | 78 | |
| Dibromochlorométhane …… | 0 | 35 | |
| Bromoforme ………………… | 0 | 3 |
L’équation fondamentale est la suivante :
Chlore + « precursors » (*) = chloroforme + autres hydrocarbures chlorés
(*) Usuel de l'anglais, tiré du mot latin « praecursor » = précurseur, avant-coureur
Désorption du perchloréthylèneet du trichlorométhane par l'air
- Qualité de l'eau : eau potable - Appareillage : réacteur Sulzer avec mélangeurs statiques - Teneur en perchloréthylène : 0,1 mg/l - Teneur en trichlorométhane : 0,05 mg/l
Ces « precursors » sont des matières organiques telles que par exemple des acides humiques transformées avec le chlore et produisant du chloroforme et d'autres combinaisons organiques du chlore (13).
Il ne fait pas de doute que l'emploi d’une phase d’adsorption, à la fin du système de traitement de l'eau, procure une certaine sécurité quant à l'élimination de ces hydrocarbures chlorés. Il n’en subsiste pas moins dans maints services de préparation d’eau potable un optimisme exagéré, avec une tendance à la généralisation quant à l'effet et à la durée d’efficacité du charbon actif, ces deux facteurs étant soumis aux paramètres suivants :
— qualité de la matière adsorbante, — caractères particuliers de la matière à éliminer, — température, — concentration de la matière à éliminer, dans l'eau et dans la matière adsorbante, — durée de contact, c'est-à-dire vitesse de passage dans le lit adsorbant, — influence d'autres matières contenues dans l’eau, — valeur du pH.
C'est précisément dans l'élimination du chloroforme qu'on a constaté que la capacité adsorbante du charbon actif est plus faible que pour d'autres hydrocarbures. Il peut suffire de quelques semaines seulement pour que le charbon actif soit saturé de chloroforme, après le traitement d’environ 18 m³ d'eau par kilogramme de charbon actif.
Le chloroforme, de même que d'autres combinaisons halogénées organiques, sont des matières volatiles, de sorte que l'aération de l’eau est un traitement complémentaire efficace pour l'élimination des substances de ce genre. La figure 19 montre la diminution relative, en pour cent par rapport à l'eau brute, du perchloréthylène et du trichlorométhane, suivant la proportion air/eau.
Les essais d'aération pour l’élimination du perchloréthylène ont été faits sur de l'eau souterraine et sous des conditions climatiques autres que lors des essais de désorption du chloroforme.
Le procédé d’aération devient intéressant du point de vue économique dès que l'eau en traitement contient également de l’acide carbonique agressif, mais trop peu d'oxygène en solution, comme c'est par exemple le cas pour l'eau brute décrite dans un paragraphe précédent.
L'ozonation d’une eau chargée de substances organiques halogénées, avec un pH supérieur à 9, peut être un procédé complémentaire permettant d'abaisser la concentration de ces substances halogénées dans l'eau (5).
On a pu constater, dans une station pour traitement de l'eau d'un lac en Suisse, que la chloration préliminaire élève considérablement la concentration en substances chlorées organiques, dont une partie seulement est ensuite éliminée de nouveau par adsorption dans le filtre au charbon activé. La teneur en hydrocarbures chlorés reste toutefois bien plus élevée dans l’eau potable que dans l'eau brute. La chloration préliminaire a lieu dans la crépine d’aspiration, avec un dosage maximum de 1 mg de chlore par litre.
Dans ce cas concret, l'eau brute contenait 6 µg/l d’hydrocarbures chlorés. Cette concentration augmentait à 89 µg/l, pour s’abaisser ensuite, après l'adsorption, à 45 µg/l. Au cours de ce traitement, ce dernier avait porté sur 75 m³ d'eau environ par kilogramme de charbon activé.
L'espoir de voir, une fois ou l’autre, les lacs suisses dépeuplés de la Dreissena polymorpha Pallas n’est qu'une illusion, mais le nombre de ces larves varie très fortement. Les risques d'incrustations par ces coquillages sont donc sérieux.
L’efficacité de l'ozone contre les larves de la DPP a été examinée par Sissegger (15). Il est cependant important de tirer au clair diverses questions d’ordre technique et économique avant d’alimenter en eau ozonisée les crépines d'aspiration des pompes dans une station d'eau potable.
Le dioxyde de chlore pourrait apporter une autre possibilité de combattre les larves de la DPP, sur lesquelles l'effet de cet agent ne nous est cependant pas connu. Diverses investigations ont montré qu’à la dose d’environ 1 mg/l, l'addition de dioxyde de chlore, préparé selon le procédé à l'acide-chlorite de sodium, n'a pas donné lieu à la formation de chloroforme. La présence de dioxyde de chlore dans l'eau brute peut cependant entraîner la formation de chlorites dans l'eau épurée. Le degré de toxicité chronique de ces chlorites fait actuellement l'objet de recherches systématiques aux USA. Berndt (14) mentionne la possibilité d’éliminer les chlorites dans l'eau au moyen de charbon actif.
J.-C. GINOCCHIO.
BIBLIOGRAPHIE (suite)
(10) J.-M. SYMONS et al. : « National Organics Reconnaissance Survey for Halogenated Organics in Drinking Water ». JAWWA, 67 (11) : 634-647. (11) Federal Register, U.S. : « Environmental Protection Agency. Drinking Water and Health », 11 juillet 1977, Part III. (12) Report to Congress, « Preliminary Assessment of Suspected Carcinogens in Drinking Water », U.S. Environmental Protection Agency, décembre 1975. (13) R. SANDER : « Untersuchungen zur Bildung von organischen Chlorverbindungen bei der Chlorung huminsäurehaltiger Wässer », Diplomarbeit, Universität Karlsruhe (TH). (14) H. BERNDT : « Untersuchungen zur Wasseraufbereitung und Wasserdesinfektion mit Chlordioxyd, insbesondere zu Fragen der pH-Wert-Abhängigkeit und der Chloritbildung », Archiv für Hygiene und Bacteriologie, 149 : 10 (1985). (15) B. SISSEGGER : « Vorläufiger Bericht über die Ergebnisse des Untersuchungsprogrammes Dreissena polymorpha Pallas für die AWBR », 22.10.1971.
