Le Procédé Actina : la décarbonatation catalytique appliquée aux eaux potables et

La dureté élevée de certaines eaux présente des problèmes d'ordre pratique aux utilisateurs, qu'ils soient domestiques ou industriels. On peut citer, à titre d'exemple :

• - l'entartrage des chaudières, chauffe-eau et circuits d'eau chaude,
• - l'entartrage à long terme des canalisations d'eau potable,
• - le confort de l'usager,
• - le surdimensionnement des installations de déminéralisation.

En Île-de-France, par exemple, les sols crayeux ou calcaires donnent une eau dure entraînant une gêne pour le consommateur et qui a engagé certaines collectivités à mettre en place un traitement d’adoucissement de leurs eaux.

L'adoucissement des eaux que réalise la décarbonatation catalytique à l'aide du procédé ACTINA constitue donc une amélioration du confort de l'usager mais également un investissement à long terme pour assurer la protection des réseaux.

En France, l'objectif après le traitement est d'obtenir une eau à l'équilibre calco-carbo-

nique. On se référera au décret français n° 2001-1220 du 20 décembre 2001 concernant les eaux destinées à la consommation humaine.

Principe de fonctionnement

L’objectif de la décarbonatation catalytique est d'adoucir l'eau par précipitation du calcium et des carbonates sous forme de carbonate de calcium, ce qui se traduit également par une diminution de l'alcalinité et de la dureté.

Toutefois, la précipitation du carbonate de calcium est possible lorsque l'indice de saturation (indice de Langelier) est positif :

Indice de saturation (IS) = log (Ca²⁺)(CO₃²⁻) / Ks = pH – pHs
Ks = –171,9065 – 0,077993 T + (2839,319/T) + 71,595 log T

Cet indice de saturation, lié à la température, traduit la concentration en ions à partir de laquelle la réaction de précipitation va s'initier. Pour des eaux dites entartrantes et à des températures usuelles (proches de 12 °C), l'indice de Langelier est positif.

Pour assurer une précipitation optimale, la solubilité du CaCO₃ doit être prise en compte ainsi que diverses réactions impliquant notamment la dissociation de l'acide carbonique :

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ HCO₃⁻ + H⁺
HCO₃⁻ + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH⁻
H₂O ↔ H⁺ + OH⁻  

Ca²⁺ + CO₃²⁻ ↔ CaCO₃

On voit ainsi que la précipitation des carbonates sous forme de CaCO₃ est réalisée à partir des ions CO₃²⁻, espèce basique. La précipitation sera donc conduite en milieu basique.

Les différents modes de décarbonatation

La réaction

La cristallisation se déroule selon deux étapes : la nucléation et la croissance. La nucléation est la génération des cristaux (essentiellement de carbonate de calcium). La croissance est le mécanisme à partir duquel les ions sont transportés vers la surface des cristaux déjà formés (1 à 4).

La vitesse de réaction de cristallisation (5, 6) est la suivante :

-d[Ca²⁺]/dt = K·S([Ca²⁺]·[CO₃²⁻] – Ks)

avec :

[Ca²⁺] : concentration des ions Ca²⁺ (mole/L) [CO₃²⁻] : concentration des ions CO₃²⁻ (mole/L) K : constante de vitesse de cristallisation (L·m/s·mole), 0,0255 × 1,053^(T) T : température en °C S : aire spécifique du support de cristallisation (m²) Ks : produit de solubilité du CaCO₃ (mole/L) et [Ca²⁺]·[CO₃²⁻] – Ks = Ks (10^S – 1)

La réaction de croissance est quasi instantanée. La vitesse de cristallisation conditionne donc la cinétique de l'ensemble, puisque la réaction de croissance lui est consécutive. Dans les réacteurs classiques de décarbonatation, les réactions de nucléation et de croissance ont lieu en même temps. La cinétique est alors fonction de la vitesse de nucléation. Dans un réacteur catalytique, comme le réacteur Actina, l'introduction d’un catalyseur (sable) accélère considérablement la vitesse de nucléation grâce à l’existence d'un support de germination. La réaction de croissance est alors le mécanisme dominant.

Les réactifs

La précipitation des carbonates peut être obtenue grâce à l’introduction de chaux, de soude ou de carbonate de sodium.

On utilise préférentiellement chacun de ces réactifs dans les cas suivants :

• la chaux, lorsque la concentration en bicarbonates est élevée,
• la soude, lorsque la concentration en bicarbonates est modérée,
• le carbonate de sodium, lorsque la concentration en bicarbonates est faible (cas extrêmement rare).

Avec la chaux, la réaction d’adoucissement tend vers une réduction des bicarbonates et de la dureté calcique dans une proportion 1 bicarbonate pour 1 calcium :

Ca(OH)₂ + Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → 2CaCO₃ + 2H₂O

Cette technologie est donc bien adaptée pour le traitement de l'alcalinité.

Avec la soude, la réaction globale d’adoucissement tend vers une réduction des bicarbonates et de la dureté calcique dans une proportion 2 bicarbonates pour 1 calcium :

NaOH + Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → CaCO₃ + H₂O + Na⁺ + HCO₃⁻

La technologie à la soude est donc bien adaptée à un traitement des eaux dures.

Avec le carbonate de sodium, la réaction d’adoucissement ne conduit pas à une réduction des bicarbonates :

Na₂CO₃ + Ca²⁺ → CaCO₃ + 2Na⁺

Le carbonate de sodium élimine la dureté permanente (CaSO₄, CaCl₂).

Le réacteur de décarbonatation catalytique : procédé « Actina »

Le réacteur

Le procédé Actina est basé sur le principe de la décarbonatation catalytique. Il peut utiliser la chaux comme la soude, suivant les caractéristiques de l'eau à traiter.

La réaction de précipitation s'effectue dans un réacteur au contact d'un lit de sable fluidisé par un courant d'eau ascendant.

Les eaux à traiter sont introduites à la base du réacteur, sous un plancher de répartition. Le flux est réparti par des buses spécialement conçues afin d’éviter tout colmatage. Grâce à la cinétique rapide de la réaction, la vitesse de l'eau au sein du réacteur atteint 80 – 100 m/h et met en fluidisation le lit de micro-sable.

Des injecteurs de réactifs disposés au-dessus du plancher et donc au sein du lit de micro-sable assurent la répartition homogène des réactifs de décarbonatation. Dès l’introduction du réactif (chaux ou soude), les carbonates précipitent et se fixent autour des grains de micro-sable. Ceux-ci jouent alors immédiatement un rôle de catalyseur en étant un germe de cristallisation autour duquel continue de s'enrober le carbonate de calcium précipité.

Le grain grossit et forme des billes de carbonates de 1 à 2 mm de diamètre (7 à 9). Les billes ainsi formées sont régulièrement soutirées à la base du réacteur dès qu'elles atteignent la taille optimum. Pour maintenir constante la quantité de sable, le réacteur est réalimenté en sable après chaque soutirage.

On obtient ainsi un sous-produit facilement exploitable : un simple égouttage des billes au sein d'un silo ou d'une benne drainante permet d’atteindre un produit à forte siccité. Ce sous-produit est valorisable : cimenterie, alimentation des volailles, routes, etc.

En sortie du réacteur, l'eau décarbonatée est toujours légèrement chargée de fines particules de carbonate de calcium et d'impuretés (introduites avec le

Il est donc nécessaire de filtrer ces eaux afin de retenir les matières en suspension et obtenir une turbidité inférieure à 0,5 NFU.

Afin d'arrêter la réaction de précipitation et de ne pas entartrer les filtres, une acidification intermédiaire est recommandée entre le réacteur de décarbonatation et les filtres, en particulier si le pH est supérieur à 8,25. Cette acidification peut être obtenue par injection de CO₂ ou d'un autre acide. On assurera ainsi des conditions de pH favorables à une floculation avant filtration et à une désinfection au chlore.

En effet, l'unité de filtration (filtres à sable ou filtres bi-couches anthracite-sable) peut être précédée d'une coagulation au chlorure ferrique pour des eaux dont la turbidité est de l'ordre de 1 à 10 NTU. La conception des filtres est celle généralement adoptée pour le traitement des eaux potables avec des vitesses de filtration pouvant se situer entre 6 et 15 m/h, dépendant de la hauteur totale du ou des matériaux filtrants.

Les réactifs

Comme expliqué précédemment, le choix du réactif dépend des caractéristiques de l'eau brute. Il est effectué en fonction de la concentration initiale en calcium et en bicarbonates, de la réduction souhaitée de la dureté calcique, et également des concentrations en sulfates et chlorures. On sait, en effet, que la corrosion (représentée par l'indice de Larson par exemple) tient compte de la concentration (molaire) de ces deux éléments divisée par l'alcalinité (en moles) de l'eau. Une eau faiblement alcaline sera très corrosive si, notamment, la concentration en sulfates et chlorures est élevée. Le principe de protection des réseaux de distribution d'eau impose de veiller à ce que le paramètre corrosion soit pris en considération.

Par ailleurs, le choix d'une réaction de décarbonatation à la soude est envisagé pour des eaux présentant une faible teneur en sodium. En effet, l'eau traitée devra satisfaire à la norme sur le sodium qui est de 200 mg/l.

Le tableau 1 permet de définir les consommations prévisibles de réactifs chimiques (tableau 2).

Avantages du procédé

• Comparé à l'adoucissement sur résines, le procédé présente un certain nombre d'avantages :

- compacité car le temps de séjour dans l'appareil est très faible en raison des cinétiques très rapides qui s'y déroulent,

Tableau 1 : Récapitulatif de la consommation (réactifs chimiques et sable)

Tableau 2 : Caractéristique physique du sable

• temps de réponse très rapide,
• de plus, la décarbonatation catalytique à la soude :
  • permet de réduire l’alcalinité,
  • ajoute moins de sodium que les résines.
• Comparé à une décarbonatation classique, le procédé de décarbonatation catalytique :
  • produit des billes facilement égouttables et transportables alors que l’adoucissement classique à la chaux produit des boues carbonatées liquides qu’il faut décanter, concentrer et déshydrater,
  • les billes de carbonates ainsi produites sont valorisables en fonction de la composition de l’eau brute (enrichissement des sols, adjuvant pour cimenterie, alimentation des volailles, etc.),
  • permet l’élimination d’une fraction du fer, du manganèse et des éventuels métaux lourds (Ni par ex.) par co-précipitation au sein des billes de carbonates,
  • pas d’éluats comme obtenus lors de la régénération des résines.

Tableau 3 : Résultats obtenus sur la station de Val de Reuil

Quelques résultats d’usines en fonctionnement

• Usine d’eau potable de Val de Reuil L’eau brute est une eau de forage. Le débit traité est de 900 m³/h (18 000 m³/j) sur deux réacteurs de décarbonatation catalytique (tableau 3).
• Usine d’eau potable d’Ezanville L’eau brute est une eau de forage. L’usine traite un débit de 75 m³/h (1 500 m³/j) (tableau 4).
• Usine d’eau potable de Beaune L’eau brute est une eau de forage. L’usine traite un débit de 500 m³/h (10 000 m³/j) (tableau 5).

Tableau 4 : Résultats obtenus sur l’usine d’Ezanville

Tableau 5 : Résultats obtenus sur l’usine de Beaune

Éléments de technologie du procédé Actina

La conception d’un réacteur de décarbonatation est axée sur l’équirépartition du flux afin d’assurer une réaction optimale et sur la récupération des sous-produits afin de limiter les coûts afférents.

Le plancher de répartition

Les réacteurs de décarbonatation catalytique peuvent être conçus avec deux types de plancher qui seront choisis selon la taille du réacteur :

• • Plancher constitué par une grille Johnson constituée d'une maille de 400 μm.

La grille Johnson est utilisée pour les petits réacteurs. Elle assure une bonne répartition du flux. Elle est facilement démontable mais limitée en diamètre.

• • Plancher crépiné

Les planchers munis de crépines sont mis en œuvre sur les réacteurs plus importants. Grâce à des choix de matériau spécifiquement étudiés, les crépines qui équipent le réacteur Actina résistent à l'abrasion du sable et au colmatage.

Soutirage des billes

Ce poste conditionne la gestion du lit fluidisé et la qualité du traitement obtenu. Le soutirage est réalisé à la hauteur du plancher de répartition, puisque les billes de plus grand diamètre se situent à la base du lit fluidisé.

Différentes modalités d'extraction peuvent être envisagées :

• - par extraction gravitaire (petites unités uniquement). Elle nécessite la mise en place d'un bac de transfert des billes vers le silo de stockage qui sera équipé d'un système d'égouttage performant.
• - par pompage direct.

L'extraction comporte les éléments suivants :

• - pompes de type centrifuge installées le plus près possible des réacteurs,
• - nombre de points d'extraction suffisant (minimum 3),

Tableau 6 : Principales références

• - automatisme d'extraction permettant d'assurer un bon rinçage des canalisations entre deux extractions,
• - coudes à grands rayons pour minimiser les risques de bouchage.

Plusieurs piquages seront prévus afin de purger et rincer ces conduites à l'eau sous pression.

Stockage des billes

Les billes formées sont dirigées par pompe vers un silo égoutteur ou gravitairement vers une benne drainante. L'égouttage des billes peut être réalisé par :

• - un tamis disposé en partie supérieure du silo de stockage,
• - des buses d'égouttage situées à la base du silo.

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