La nouvelle usine de traitement des eaux de la Ville de Toulouse

Deux usines de traitement alimentent actuellement en eau potable la ville de Toulouse : l’usine de Clairfont et l’usine de Pech-David I.

L’usine de Clairfont, dont la première tranche de 55 000 m³/jour a été mise en service en juin 1970, et la deuxième de 55 000 m³/jour en septembre 1975, alimente essentiellement l’ouest de la ville de Toulouse.

L’usine de Pech-David I, construite dans les années 40, permet, grâce à de nombreuses modifications ou extensions successives, d’alimenter l’est de la ville de Toulouse, au débit maximum de 130 000 m³/jour.

La vétusté, les difficultés d’exploitation et la quasi-impossibilité d’accroître la production de l’usine actuelle de Pech-David ont amené la ville de Toulouse à lancer un concours pour la construction d’un nouveau complexe de traitement d’eau potable qui permettra, grâce aux phases successives prévues, l’alimentation en eau de l’ensemble de l’est de la ville de Toulouse, jusqu’en l’an 2000 et plus.

Le concours lancé a été scindé en trois parties qui ont donné lieu à trois marchés distincts.

Le marché n° 1, de loin le plus important, portait sur la construction :

• — d’une prise d’eau en Garonne,
• — d’une station d’exhaure,
• — de conduites de refoulement d’eau brute,
• — d’une usine de traitement d’eau dont la première phase permettra de produire 150 000 m³/jour.

Le marché a été enlevé par le groupement constitué par les entreprises : Compagnie européenne de Traitement des Eaux — C.T.E. —, la Compagnie Générale des Travaux d’Hydraulique SADE et l’entreprise René Marion.

À l’intérieur du groupement, la C.T.E., mandataire commun, est plus particulièrement chargée de la construction de l’usine de traitement des eaux.

La SADE, elle, réalise la prise d’eau en Garonne, la station d’exhaure et les conduites de refoulement de la Garonne au plateau de Pech-David où se situe la station.

L’entreprise Marion exécute l’ensemble des travaux de génie civil.

L’ordre de service de commencer les travaux a été délivré en septembre 1978 et l’ensemble fonctionnera en mai 1981.

DE LA GARONNE À L'USINE DE TRAITEMENT

L'eau brute est prise en Garonne en aval du confluent de la Garonne avec l'Ariège. C'est une eau relativement peu polluée, mais présentant de brusques et importantes variations de turbidité liées à des crues à caractère torrentiel.

La prise d'eau dimensionnée dès maintenant pour 250 000 m³/j est reliée à la station d'exhaure par quatre canaux visitables.

Elle est équipée d'un dégrillage à barreaux.

La station d'exhaure et ses accès ont été spécialement étudiés compte tenu du caractère inondable du site, de l'exiguïté du terrain et de son implantation dans un site résidentiel.

Cette station, dont le Génie civil est dimensionné pour 250 000 m³/jour, est équipée de trois tamis et de quatre pompes d'un débit unitaire de 2 150 m³/h.

Elle comprend deux bâches d'aspiration. À partir de chacune d'elles, on peut refouler 80 % du débit. L'alimentation électrique de l'ensemble du complexe est assurée à partir d'un important poste électrique situé de l'autre côté du chemin des Étroits.

L'usine de traitement est implantée sur le sommet des coteaux de Pech-David qui surplombe le lit de la Garonne d'environ 90 mètres. Trois cents mètres de terrains instables séparent la station d'exhaure de l'usine.

La montée aux coteaux de Pech-David ne pouvait se faire enterrée à cause des risques d'instabilité de la falaise due à des pentes trop fortes eu égard aux caractéristiques intrinsèques des matériaux des différents faciès.

Deux conduites aériennes représentaient, à court terme, le moindre investissement, mais il va de soi que les aléas techniques restaient importants.

Les massifs d'ancrage ou d'appui auraient été situés dans des zones qui ne sont pas exemptes de mouvements.

Les mouvements des appuis se transmettant à des conduites présentant une grande élasticité, il aurait fallu surveiller la fatigue des conduites et effectuer des travaux de recalage éventuels.

Par contre, en cas de glissement généralisé, même à l'aide d'ancrages profonds, les conduites n'auraient pu retenir le terrain.

En conséquence, la solution retenue comporte une galerie, suivie d'un puits de remontée sur le plateau.

La galerie, réalisée par fonçage d'un tuyau, a un diamètre de 3 000 mm. De cette façon, on évite toute décompression du terrain. Le puits de section circulaire a un diamètre de 3 350 mm. Sous le chemin des Étroits, de la station d'exhaure à la galerie, on trouvera une galerie technique rectangulaire (2,00 x 3,80) en béton armé coulée en fouille. Ces sections permettront le cheminement de deux tuyauteries Ø 1 100, des divers équipements (eau, électricité, réseau de télétransmission) et des moyens de liaison.

Cette solution présente un maximum d'avantages :

• — la protection contre les mouvements de terrain est totale ;
• — l'accès entre le plateau et la station d'exhaure est total ;
• — les conduites sont totalement visibles et, en cas de rupture plus qu'improbable, la protection de la station d'exhaure est totale ;
• — le site est entièrement sauvegardé.

Ce type de solution présente toute sécurité face aux mouvements de faible ou grande amplitude de la falaise et assure, outre la protection totale des conduites, une liaison d'exploitation entre le plateau et la station de pompage.

UN TRAITEMENT APPROPRIÉ AUX EAUX DE LA GARONNE

À Pech-David,

— la température de la Garonne est relativement froide pendant une bonne partie de l'année. Les températures les plus fréquentes se situent vers 13 °C ;

— la turbidité et les matières en suspension sont étroitement liées aux précipitations sur le bassin versant. Les valeurs maximales sont très élevées : plus de 1 000 gouttes de mastic, plus de 1 g/l de matières en suspension. Fort heureusement, ces valeurs ne se rencontrent qu'assez rarement : moins de dix jours par an. Cependant, les variations sont très brutales ;

— la couleur de l’eau varie dans un large domaine de 10 à 3 000 °Hazen. Mais le plus souvent elle reste inférieure à 50 °Hazen, et les plus fortes valeurs correspondent aux périodes de crues. Il ne s'agit pas de la couleur vraie ;

— la résistivité indique une minéralisation globale moyenne qui varie relativement peu ;

— la minéralisation quasi constante est du type bicarbonaté calcique ;

— le pH varie de 7,5 à 8,1 ;

— les très fortes concentrations en fer (1,66 mg/l) sont en relation avec les crues du fleuve et n’apparaissent donc qu’assez rarement ;

— les teneurs en manganèse sont très faibles ou nulles.

Les autres espèces ioniques ayant une influence sur la potabilité ne sont présentes qu’en faible quantité, c’est le cas des sulfates, des chlorures, des nitrates et des phosphates.

L'oxydabilité par le permanganate en milieu alcalin reste peu importante, voisine de 1 mg/l d'oxygène consommé en moyenne, avec cependant des maximums de 5 mg/l.

Les indices de pollution azotée : nitrates et ammoniac sont faibles mais constants.

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Au vu des caractéristiques des eaux de la Garonne, le traitement doit permettre :

— l'élimination de l’ammoniaque,

— l'oxydation du fer et du manganèse dissous,

— l'oxydation des matières organiques,

— l'élimination, en toutes circonstances, de la turbidité, des matières en suspension et de la couleur,

— la neutralisation de l’agressivité,

— la désinfection.

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La filière de traitement retenue après de nombreux essais permet :

— l'élimination de l’ammoniaque par chloration au break point, le taux d’ammoniaque étant faible ;

— l'oxydation des matières organiques par le bioxyde de chlore ;

— la suppression de la turbidité, des matières en suspension, de la couleur et du fer, par floculation-décantation suivie d’une filtration.

Le floculant retenu est le sulfate d’alumine, l’adjuvant de floculation est l’aqualgine.

Le CSF et le WAC pourront éventuellement être utilisés à la place du sulfate d’alumine, sans modifications de l’appareillage de stockage et de distribution.

— la stérilisation par l'ozone ;

— la neutralisation du CO₂ agressif par injection de soude ;

— la stérilisation complémentaire (ou de secours) par injection de chlore gazeux.

TROIS FILES BANALISÉES DE 50 000 m³/JOUR CHACUNE

À sa sortie du puits de remontée sur le plateau, l’eau brute est, après l’ouvrage d’arrivée d’eau brute, répartie sur trois files de traitement de 50 000 m³/j chacune, totalement indépendantes.

Chacune de ces chaînes de traitement comprend :

— 1 ouvrage de mélange rapide dans lequel sont injectés les réactifs coagulants, le chlore et le bioxyde de chlore ;

— 1 ouvrage de préconditionnement dimensionné pour assurer un temps de mûrissement des microflocs de l’ordre de 3’. Ce temps de contact est nécessaire pour que les coagulants formés à partir des particules colloïdales et des réactifs s’agrègent entre eux pour former des microflocs d’une taille voisine de 100 µ ;

— 1 décanteur « cyclofloc » sur lequel nous reviendrons plus loin ;

— 3 filtres banalisés de 87 m² de superficie chacun. Ces filtres à sable, dont la couche filtrante a 1,10 m d’épaisseur, assurent la filtration. Leur lavage s’effectue en deux temps : premier temps air plus eau, deuxième temps eau seule ;

— 1 tour de contact eau-air ozoné.

Chaque tour assure un temps de séjour de l’eau filtrée de huit minutes, et grâce à l’injection d’ozone au taux maximum de 2 g/m³ permet d’assurer un résiduel de 0,5 g/m³.

UNE ARCHITECTURE MODERNE ET FONCTIONNELLE

Notre groupement s'est assuré pour l'étude du projet le concours du Cabinet d’Architecture A4 qui, depuis une dizaine d’années, a acquis de nombreuses références dans le domaine du traitement de l'eau.

Ce Cabinet s'est attaché à respecter les données architecturales particulièrement précises et conçues dans le souci d'intégrer l'usine dans la zone de loisirs de Pech-David.

Dans ce but, l’architecte a :

• • décomposé au maximum les volumes construits apparents pour limiter l'effet de masse ;
• • limité la hauteur de ces volumes pour les relier au terrain ;
• • facilité le raccordement visuel des volumes construits avec les pentes du terrain naturel en exploitant des terrasses de couverture horizontales et des profils inclinés ;
• • utilisé une forte proportion d’éléments plans permettant un habillage en briques.

L'implantation des bâtiments, quant à elle, a été conçue pour tenir compte des impératifs suivants :

• — contrôler les arrivées à la station et de ce fait la voie d'accès et le hall d'entrée à partir de la salle de contrôle ;
• — installer le laboratoire le plus près possible de la salle de contrôle, du bâtiment des réactifs et de l’ouvrage d'arrivée d'eau brute ;
• — insonoriser les locaux recevant du personnel ;
• — réserver un accès aisé aux ouvrages hydrauliques à partir du bâtiment d’exploitation ;
• — réduire les transports d'énergie ;
• — réduire les déplacements du personnel.

POUR LA CLARIFLOCULATION, UN APPAREIL RÉVOLUTIONNAIRE MAIS ÉPROUVÉ : LE CYCLOFLOC

L'étage de décantation présenté revêt une importance toute particulière. En effet, d'une décantation correcte et délivrant une eau de qualité exceptionnelle et constante, quelle que soit la qualité de l'eau de la Garonne, dépend le bon rendement des filtres ; d’où une facilité d'exploitation indispensable à l’entretien d'une usine de l'importance de celle présentée ici.

L'unité de clarification de l'usine de Pech-David comprend trois décanteurs CYCLOFLOC d'un débit unitaire de 2 200 m³/h.

Chaque ouvrage est relié en amont au bassin de préconditionnement, à l’aval au bloc de filtration. Une vanne murale placée sur le canal d’eau décantée permet l'isolement total d'une file de clarification.

Principe du procédé CYCLOFLOC

Avec le procédé CYCLOFLOC, la technique de floculation-décantation est profondément modifiée.

En fait, toutes les réflexions des traiteurs d’eau ont conduit ceux-ci à chercher un moyen de dépasser la contradiction suivante :

« vitesse ascensionnelle élevée, bonne séparation. »

La réponse apportée par les inventeurs du CYCLOFLOC permet de s’affranchir de la vitesse théorique limite.

Dans le procédé CYCLOFLOC, en plus des réactifs habituels, du microsable, d'une granulométrie comprise entre 20 et 100 microns, est introduit dans l’eau brute.

Des essais de laboratoire très simples montrent que la présence de cette charge granuleuse modifie complètement le processus de coagulation.

Au lieu d'assister à la formation des flocs qui grossissent en 15 ou 20 minutes pour atteindre la taille

de 1 à 2 mm et se dépose lentement, on voit la masse de microsable traverser très rapidement l’eau en entraînant au passage toutes les matières en suspension.

Environ trois minutes suffisent pour obtenir une eau claire surmontant un dépôt de microsable auquel s'est aggloméré l’hydroxyde d’aluminium (ou de fer selon le floculant utilisé), lui-même lié aux matières à éliminer de l’eau.

Nous pouvons constater le double effet du microsable :

• — il joue un rôle de lest des matières coagulées, accélérant considérablement la décantation ;
• — il joue un rôle d’amorce ou d’initiateur pour la coagulation, les matières coagulées s’agglutinant autour de chaque grain de sable. Ici, les flocons n’existent plus.

Enfin, les grains de microsable présentent une surface développée énorme et offrent ainsi une zone importante de réactivité qui permet de surmonter les difficultés de floculation rencontrées avec les eaux froides ou polluées.

Conception de l’ouvrage

Le CYCLOFLOC se présente sous forme d’une cuve en béton tronconique avec un radier à faible pente.

Les quantités de microsable à mettre en œuvre sont importantes : de l’ordre de 1 à 2 g/l. Malgré le prix peu élevé du produit utilisé, il était exclu de consommer de telles quantités. De là découle la nécessité de récupérer le microsable et de le régénérer en vue d’un recyclage.

Principe de fonctionnement

Le schéma ci-dessous illustre clairement le principe de fonctionnement du CYCLOFLOC.

L’eau brute préalablement coagulée et préconditionnée rejoint, par l’intermédiaire de la canalisation (1) sur le schéma, le centre du CYCLOFLOC (2), dans la zone de réaction (3) abritée par une jupe conique.

Une partie de l’adjuvant de floculation ayant pour but d’activer l’action du microsable et ce dernier sont introduits dans l’appareil en (2). Le microsable se

réparti dans tout le volume où il suit le mouvement descendant de l'eau, tout en s’agglomérant aux matières en suspension.

À l'abri de la jupe conique, le microsable chargé se dépose sur le radier du CYCLOFLOC.

L'eau, à ce niveau, est pratiquement clarifiée, puis elle passe dans la zone (4) de flux ascensionnel.

On remarque que dans cette zone (4), il existe peu de boues puisque les paramètres de recirculation sont calculés pour évacuer le mélange de microsable et de boues au fur et à mesure qu'il se dépose sur le radier.

Des prélèvements effectués à la sortie de la jupe montrent une eau claire contenant quelques grains de microsable en suspension.

Enfin, l'eau clarifiée, débarrassée de la quasi-totalité de ses matières en suspension, exempte également de microsable, est récupérée (5) au moyen de raquettes disposées radialement par rapport à l'axe de rotation du racleur.

Ces raquettes (6) sont constituées de tubes percés d’orifices judicieusement calculés pour assurer une excellente équirépartition de l'eau décantée.

Cette dernière rejoint une goulotte annulaire (7) avant de partir vers les traitements ultérieurs.

Le microsable et les boues qui se sont agglomérés se déposent sur le radier de l’ouvrage. Un racleur muni de palettes convenablement orientées (A) les ramène au centre vers une fosse (C) d'où ils seront extraits au moyen d'une pompe (D) de recyclage.

Cette pompe injecte le mélange sable et boues sur un hydrocyclone (E). Ce dernier sépare, puis restitue, d’une part, le microsable régénéré à la sous-verse (E2), et d’autre part, les boues à la surverse (E1) ; le premier retourne au CYCLOFLOC (F) et les secondes sont évacuées (G).

Principaux organes de l'appareil

Les organes principaux du CYCLOFLOC sont :

• ● le racleur et la jupe,
• ● l'hydrocyclone,
• ● la pompe à sable.

Le racleur et la jupe sont identiques à ceux que l'on peut rencontrer dans un décanteur classique à flux vertical.

Le racleur est constitué de quatre bras rectilignes qui portent des palettes disposées obliquement (pour permettre l'accumulation des boues vers la fosse centrale à l'extraction).

La jupe est en béton.

Le dispositif retenu pour séparer les boues du microsable est un hydrocyclone. Il est constitué d'une chambre cylindro-conique allongée, la pointe étant dirigée vers le bas. Le mélange arrive sous pression tangentiellement dans la partie cylindrique. Les particules lourdes sont plaquées à la périphérie sous l'action de la force centrifuge.

L'orifice supérieur est placé de telle sorte qu'il ne laisse s'échapper que la partie de liquide prélevée au centre, laquelle est donc exempte de matériaux lourds. À la pointe inférieure de l’hydrocyclone, le microsable est injecté avec un petit volume d'eau et une faible proportion de boues.

En ce qui concerne la pompe à sable, il s'agit d'un appareil classique qui n'a pas été mis au point spécialement pour cet usage.

En effet, il existe dans le commerce des pompes centrifuges conçues pour véhiculer des liquides chargés.

gés en matières abrasives. Les flasques et les roues sont recouvertes d'un caoutchouc spécial. Les canalisations sont en acier ordinaire.

Dimensionnement du CYCLOFLOC

La vitesse ascensionnelle dans cet appareil est couramment de 8 à 9 m/h, soit au moins 3 à 5 fois celle de l'eau dans un décanteur à flux vertical classique dit « accéléré ».

Des vitesses plus élevées (10 m/h) ont été essayées avec succès. Néanmoins, nous avons eu le souci de conserver une marge de sécurité afin d'obtenir une eau clarifiée de très bonne qualité. La vitesse ascensionnelle est dans ce cas particulier fixée à 8 m/h.

Le débit d'eau chargée de boues et de microsable est injecté dans 5 hydrocyclones à une pression de l'ordre de 2 bars, la concentration en microsable est de 50 à 100 g/l.

Compte tenu de la vitesse ascensionnelle retenue pour traiter les eaux de la Garonne, les caractéristiques des 3 cycloflocs sont les suivantes :

• — diamètre à la base du radier : 12,55 m
• — diamètre supérieur de l'ouvrage : 22,00 m
• — surface utile de décantation : 275,00 m²
• — vitesse de surverse : 8,00 m/h
• — hauteur de l'ouvrage : 7,80 m env.
• — temps de contact dans la partie centrale : 8'
• — temps de contact total : 40'

Chaque ouvrage est équipé des dispositifs d'admission d'eau coagulée, d'un racleur entraîné par moto-réducteur, du réseau de raquettes perforé collectant l'eau décantée.

Résultats de la clarification par CYCLOFLOC

Après sept années d'expérience, nous pouvons indiquer les performances suivantes :

• ● les démarrages et arrêts successifs, aussi fréquents que possible, ne nuisent aucunement à la qualité de l'eau clarifiée ;
• ● l'appareil peut fonctionner à n'importe quel débit jusqu'à son débit nominal ;
• ● la présence en recirculation d'une quantité suffisante de microsable peut permettre de faire face à toute variation brutale de la qualité de l'eau brute, à condition que le taux de floculant soit évidemment correctement ajusté ;
• ● la turbidité de l'eau décantée ne dépasse pas 25 gouttes de mastic (ou 4 JTU), elle est le plus souvent voisine de 12 à 15 gouttes de mastic (1,5 à 2 JTU) ;
• ● l'évacuation des boues s'effectue en continu ;
• ● grâce à la qualité constante de l'eau décantée délivrée, la filtration s'effectue à la vitesse de 8 m/h ;
• ● l'appareil occupe une surface réduite ;
• ● il est d'un entretien aisé en raison de la faible importance du matériel entrant dans sa construction :
  • — un racleur entraîné par un moto-réducteur,
  • — deux pompes à microsable,
  • — cinq hydrocyclones.

En conclusion, les solutions adoptées illustrent une certaine conception qui consiste à rechercher pour chaque cas particulier les solutions qui s'adaptent le mieux, plutôt que d'imposer une solution « standard ».