Les résultats de l'essai comparatif sur l'unité de décarbonatation Gyrazur de Degrémont montrent des différences significatives de performances entre deux types de lait de chaux. Premièrement, une diminution du dosage de chaux de l'ordre de 27 % est observée (ramené sur la consommation du produit commercial). De plus, on observe un abattement plus important du TAC et du nickel avec le lait de chaux à haute réactivité. Finalement, la turbidité à la sortie du Gyrazur, qui était une problématique majeure avec le lait de chaux faible réactivité produit sur site, est réduite de quasiment 50 % ce qui permet une diminution du nombre de cycles de filtration de l'ordre de 25 %. Ce gain important sur la filtration permet une économie notable sur la consommation d'énergie, et la consommation réactifs de floculation et de filtration. De plus, la production de boues est également diminuée. Tous ces avantages du lait de chaux à haute réactivité sur les critères de performance de décarbonatation eau potable sont appréciables pour l'exploitant et le concepteur de la station. Dans cette étude, l'économie du lait de chaux à haute réactivité Akdolit® sur le poste chaux actuel est chiffrée à environ 44 %. Il a été également observé une meilleure stabilité du pH et des autres paramètres du réacteur Gyrazur.
Tous ces avantages du lait de chaux à haute réactivité sur les critères de performance de décarbonatation eau potable sont appréciables pour l’exploitant et le concepteur de la station. Dans cette étude, l’économie du lait de chaux à haute réactivité Akdolit® sur le poste “chaux” actuel est chiffrée à environ 44 %.
Il a été également observé une meilleure stabilité du pH et des autres paramètres du réacteur Gyrazur.
Mots clés : eau potable, décarbonatation, abattement nickel, réactivité, lait de chaux, optimisation technico-économique
La dureté de l’eau est une problématique de plus en plus relevée par les consommateurs d’eau en France et dans les pays européens. Pour remédier aux conséquences néfastes d'une eau trop dure impliquant des incrustations de calcaire et les problèmes associés, la surconsommation des tensio-actifs présents dans les poudres de lessive, etc., il est souvent intéressant de mener une décarbonatation de l’eau. Parmi les technologies disponibles, la décarbonatation collective reste la plus attractive au niveau technico-économique. Dans le cas d'une décarbonatation sans abattement de métaux (nickel, manganèse, …), la chaux éteinte et la soude sont les réactifs les plus employés ; avec un avantage majeur pour la chaux en raison de son niveau de prix. Dans le cas d'une décarbonatation avec abattement de métaux, la chaux ressort avec un avantage supplémentaire quant à son niveau élevé d’extraction de métaux. De plus, la chaux, contrairement à la soude, n’ajoute pas de sodium dans l'eau adoucie. Les réactions chimiques impliquées dans le processus de décarbonatation ont lieu en phase liquide. Il est donc important, dans un souci de performance, que le lait de chaux entrant dans le réacteur de décarbonatation puisse avoir une réactivité élevée se traduisant par une mise en solution rapide des particules d’hydroxyde de calcium dans l'eau à décarbonater. La préparation d'un lait de chaux à partir d’une chaux vive (CaO) ou d'une chaux hydratée (Ca(OH)₂) reste une technique que l'on doit maîtriser pour garantir et produire un lait de chaux à haute réactivité.
L'objectif principal de cette étude était d’évaluer l'impact d’un lait de chaux à haute réactivité sur les performances technico-économiques de l'usine de traitement d’eau potable des Ansereuilles. Celle-ci, gérée par les Eaux du Nord (EDN), mène une décarbonatation catalytique avec la technologie Gyrazur pour abattre le nickel provenant des forages et la dureté de l'eau. Suite à un audit technique mené à bien par Lhoist (fournisseur de réactifs calciques de la station), Eaux du Nord (exploitant de la station) et Degrémont (concepteur de la station) sur la préparation de lait de chaux sur site, il a été convenu de réaliser un essai comparatif pour mettre en relief les différences de performances entre le lait de chaux produit sur site à partir de chaux vive et un lait de chaux à haute réactivité sélectionné par Lhoist parmi sa gamme Akdolit®. La gamme Akdolit® comprend tous les réactifs calco-magnésiens conçus spécialement pour le traitement des eaux potables et des eaux de procédés.
Le besoin en décarbonatation
Connaître la dureté de l’eau est un problème récurrent pour les consommateurs, que ce soit pour régler son lave-vaisselle, adapter la dose de lessive de son lave-linge ou traiter l’eau de son aquarium. Les eaux en France sont majoritairement dures ou moyennement dures car elles ont traversé des bassins sédimentaires calcaires.
L’eau dure qui laisse des traces sur l’évier et entartre les appareils ménagers est une cause majeure de réclamation des consommateurs. Chacun connaît aussi les publicités vantant des produits anti-calcaire pour protéger les résistances des machines à laver. Mais la lutte anti-calcaire est chère si elle reste individuelle. Un adoucisseur revient à environ 250 €/an et les dépenses moyennes annuelles en produits anti-calcaire sont de l’ordre de 45 €/an.
Au-delà des problèmes domestiques, les eaux dures génèrent aussi des inconvénients à l’échelle des collectivités et des industries. Les dépôts excessifs dans les réseaux de distribution d’eau entraînent des réductions de section qui limitent le débit, augmentent les pertes de charge et nécessitent davantage d’énergie de pompage.
Ces dépôts diminuent également les échanges thermiques et augmentent donc les consommations énergétiques. Les industriels ont dès lors souvent recours à la décarbonatation de l'eau de leurs réseaux. Les eaux dures ont aussi un impact écologique vis-à-vis des stations d’épuration puisqu’elles nécessitent l'usage de grandes quantités de lessives et d'assouplissants qui doivent être traités a posteriori pour ne pas polluer le milieu naturel. Enfin, on peut retenir aussi que les eaux dures peuvent entraîner des problèmes cutanés chez les sujets sensibles comme les jeunes enfants et les personnes âgées. La décarbonatation au niveau des usines de production d’eau potable supprime ces effets néfastes des eaux dures.
[Figure : Dureté des eaux en France (d'après données DDASS)]La station des Ansereuilles
En 2005, la société Degrémont (leader mondial dans la conception et la réalisation d'usines de traitement de l'eau) a remporté l'appel d’offres émis par Eaux du Nord (principal exploitant d’usines de traitement de l’eau dans le Nord de la France et référence européenne dans le domaine de la décarbonatation) pour l'abattement du nickel contenu dans les eaux de forage par décarbonatation. Les trois réacteurs de décarbonatation catalytique sont des Gyrazurs (technologie Degrémont) mis en service en 2007. Lhoist a été sélectionné comme fournisseur de réactifs calco-magnésiens (chaux vive, dénommée Akdolit® Q).
L'usine d’eau potable des Ansereuilles située à Wavrin est gérée par Eaux du Nord. Dotée d'une capacité de 75 000 m³/jour, elle est la plus importante du dispositif d’alimentation d’eau potable de la Communauté Urbaine de Lille.
Cette usine est certifiée selon la norme Qualité ISO 9001 qui assure une gestion maîtrisée des procédés.
Cette station est alimentée en eau brute par 27 forages situés sur les communes de Don, Annoeulin, Allennes-les-Marais et Wavrin. L’eau est puisée à une profondeur qui varie entre 40 et 70 mètres avec des débits unitaires compris entre 80 et 250 m³/h. Cette eau contient naturellement du fer, de l’ammoniac, du nickel et elle est particulièrement dure (50 à 60 °F).
La première phase de traitement est la décarbonatation catalytique.
Elle permet de traiter un volume journalier de 50 000 m³, soit les deux tiers du débit nominal, éliminant ainsi le nickel, le fer et une partie du calcium responsable de la dureté excessive. Ce procédé, basé sur l’augmentation du pH de l’eau grâce à un dosage de chaux, conduit à la précipitation du calcaire sur des grains de micro-sable introduits dans les réacteurs. Des billes de carbonate de calcium sont alors formées dans ces trois ouvrages cylindriques verticaux de débit unitaire pouvant varier de 500 à 1 000 m³/h.
La deuxième phase de traitement est la filtration.
Elle permet de traiter un volume journalier de 75 000 m³, éliminant le fer, l’ammoniaque ainsi que les particules générées par la décarbonatation. Au préalable à cette étape, des injections d’acide sulfurique, de chlorure ferrique et de polymère sont effectuées afin de réaliser une coagulation sur filtre. Ce procédé est matérialisé par huit filtres bi-couche d’un débit unitaire de 500 m³/h dont le média filtrant est constitué d’une couche mixte de 40 cm de sable et 60 cm d’anthracite.
La dernière phase de traitement consiste à mettre l’eau « à l’équilibre » avec un ajout de soude puis de procéder à la désinfection au chlore afin d’assurer la qualité bactériologique requise jusqu’au robinet du consommateur.
Après un séjour de quelques heures dans les réservoirs, de puissantes pompes acheminent l’eau dans le réseau de distribution alimentant une partie des 1 180 000 habitants de la Communauté urbaine de Lille.
Dans le cadre de sa certification ISO 14001 et d’une démarche de développement durable, les co-produits générés par les procédés de traitement de la filière « Eau Potable » sont valorisés. En effet, les billes de carbonate de calcium produites par la décarbonatation sont réutilisées comme matériau de base dans les travaux publics. D’autre part, les eaux sales provenant des lavages des filtres sont épaissies puis compactées dans un filtre à bande. L’eau clarifiée est rejetée dans le milieu naturel et les « gâteaux » à forte siccité contenant de la chaux sont valorisés en milieu agricole.
Le réacteur de décarbonatation catalytique
La décarbonatation catalytique, qui consiste à faire précipiter le carbonate autour de grains de micro-sable, présente le gros avantage de ne pas nécessiter d’installation de traitement des rejets carbonatés. En effet, on récupère directement des billes de carbonate inertes qui peuvent être valorisées dans les remblais routiers. Par ailleurs, la décarbonatation permet aussi, en une seule opération, d’éliminer le fer, des polluants comme le nickel, le baryum et, dans une certaine mesure, réduit les concentrations en fluor.
Deux réactifs peuvent être utilisés, la soude ou la chaux. Les solutions de soude sont faciles d’emploi mais le renchérissement lié au coût de ce réactif remet en cause cet avantage. Outre son coût de production plus élevé par rapport à la chaux, le prix de la soude est très fluctuant (soumis aux variations de l’offre et de la demande et également lié à la production mondiale du chlore). De ce fait, il est difficile d’associer une enveloppe budgétaire pour les traitements liés à ce produit. De plus, l’abattement de métaux (nickel, baryum, manganèse, …) contenus dans l’eau potable est limité. Par ailleurs, la soude enrichit bien sûr l’eau en sodium.
La chaux, quant à elle, est livrée sur site par Lhoist sous sa forme chaux vive (Akdolit® Q). Elle nécessite un stockage en silo et des équipements de transfert et de dosage. La technologie d’extinction chaux vive du site des Ansereuilles ne permet pas de produire un lait de chaux à haute réactivité. La réactivité du lait de chaux est importante pour l’application de décarbonatation, car elle permet d’optimiser le dosage de réactifs, d’atteindre une stabilité du process et d’améliorer les performances globales de la station en aval de la décarbonatation. Or, cette opération d’extinction de chaux vive sur site a priori simple se révèle délicate quand on veut obtenir un lait de chaux très réactif comme c’est le cas pour la décarbonatation catalytique.
[Schéma : Schéma type de fonctionnement du Gyrazur.]Audit technique sur la préparation lait de chaux
Suite à la mise en service des unités de décarbonatation Gyrazur aux Ansereuilles, il a été rapidement constaté que la prépara-
tion de lait de chaux sur site et le fonctionnement de la décarbonatation n'étaient pas optimisés. À la demande de la société des Eaux du Nord, Lhoist (expert mondial dans la fabrication et mise en œuvre des réactifs à base de chaux) est intervenu en 2007 sur la station pour vérifier les performances liées à la décarbonatation à la chaux.
En effet, les installations sur site pour l’extinction de la chaux produisaient un lait de chaux à faible réactivité insuffisante pour les besoins de la décarbonatation catalytique. Donc, une réflexion a été mise en place pour améliorer les performances en termes de consommation de chaux, de turbidité à la sortie des Gyrazurs, de production de boues et de durée des cycles de filtration (impact sur la capacité de l’usine).
Par rapport aux constats observés sur site, Lhoist a émis une série de recommandations techniques pour améliorer la réactivité du lait de chaux produit sur site et permettre une optimisation des performances de décarbonatation catalytique. Bien que les recommandations mises en œuvre par EDN et Degrémont aient permis une nette amélioration de la situation, les contraintes sur site (en termes d’équipements et de flexibilité des conditions opératoires) ne permettaient pas d’obtenir un lait de chaux à très haute réactivité.
Tableau 1 : Moyenne des résultats du test de chaux haute réactivité
Lait de chaux à Faible Réactivité — Lait de chaux à Haute Réactivité
| Paramètres | Unités | Entrée Gyrazur | Sortie Gyrazur | Entrée Gyrazur | Sortie Gyrazur |
|---|---|---|---|---|---|
| Débit traité | m³/h | 1000 | – | 1000 | – |
| pH | u.pH | 7,0 | 10,9 | 7,0 | 10,6 |
| TAC | °F | 39,7 | 93 | 38,6 | 64 |
| TH | °F | 55,6 | 29,7 | 57,2 | 24,5 |
| Nickel | mg/L | 24,0 | 3,0 | 52,0 | 2,2 |
| Turbidité | NFU | 1 | 69 | 1 | 38 |
| Consommation chaux hydratée | ppm | 550 | – | 400 | – |
Pour démontrer et quantifier l’importance de la réactivité du lait de chaux, il était donc convenu entre EDN, Degrémont et Lhoist d’effectuer un essai comparatif entre le lait de chaux obtenu sur site à faible réactivité et un lait de chaux fourni par Lhoist à haute réactivité. Les résultats obtenus peuvent servir à quantifier les gains directement sur le site des Ansereuilles mais aussi à optimiser la conception et l’exploitation de futures stations employant une décarbonatation à la chaux.
L’essai de décarbonatation lait de chaux haute réactivité
Le but de l’essai était d’évaluer l’effet de la réactivité du lait de chaux sur les performances de la technologie Gyrazur de Degrémont. Pour ce faire, deux réactivités de lait de chaux sensiblement différentes ont été testées : un lait de chaux à faible réactivité tel que produit par EDN sur son site d’Ansereuilles ; et un lait de chaux à haute réactivité Akdolit® fourni par Lhoist.
Pour produire une eau potable répondant aux spécifications de TH et de teneur nickel (<10 µg/L en sortie des Gyrazurs), EDN gère sur son site des Ansereuilles trois réacteurs de décarbonatation catalytique de type Gyrazur-Degrémont ayant une capacité unitaire de traitement de 1000 m³/h. Pour réaliser l’essai comparatif de décarbonatation, un seul réacteur a été isolé. Lors de l’essai, la qualité de l’eau brute et les conditions opératoires du Gyrazur ont été maintenues suffisamment constantes afin de garantir la représentativité des analyses comparatives.
- • le débit d’eau brute entrant dans le Gyrazur a été bloqué à 1000 m³/h ;
- • le TAC de l’eau brute s’est maintenu entre 38-39 et le TH entre 55-57 ;
Consommation Chaux Hydratée du Gyrazur
Par rapport aux attentes d’EDN et de Degrémont, une réduction de 27 % sur la consommation de chaux est significative et clairement représentative d'une économie importante sur les opérations de filtration et du traitement des eaux de lavage de filtres.
- La teneur en Ni de l'eau brute s’est montrée un peu variable : 24 µg/l lors du test lait de chaux à faible réactivité ; et 52 µg/l lors du test lait de chaux à haute réactivité ;
- La hauteur de billes a été maintenue entre 6,1-6,5 mètres.
Les critères de performance suivants ont été évalués :
- La consommation de chaux pour atteindre un pH 10,5-11,0 ;
- L'abattement TAC et TH ;
- L'abattement Ni ;
- La turbidité de l'eau sortant du Gyrazur.
La durée de chaque test a été de 8-10 heures. Le tableau 1 regroupe les résultats obtenus sur les paramètres de performances. Veuillez noter que ces résultats représentent une moyenne des valeurs obtenues durant l’essai.
Ces résultats, analysés par le groupe de travail EDN-Degrémont-Lhoist, montrent clairement que la décarbonatation de l'eau potable en réacteur catalytique a besoin d'un lait de chaux haute réactivité composé de particules fines d’hydroxyde de calcium. L'aspect réactivité du lait de chaux s'avère être un paramètre de qualité déterminant pour la réactivité et ainsi optimiser les critères de performance tels que la consommation de réactif, la stabilité du pH et la turbidité de l'eau sortie du Gyrazur.
Le lait de chaux à haute réactivité montre une efficacité accrue par rapport au lait de chaux à faible réactivité sur les critères de performances suivants :
Turbidité Sortie du Gyrazur
Une réduction de 50 % sur la turbidité est significative et clairement représentative d'une économie importante sur les opérations de filtration et du traitement des eaux de lavage de filtres.
Estimation de l’économie totale
Dans le but de chiffrer les gains, les économies ont été comparées aux coûts annuels du poste “chaux”. Ce poste comprend les coûts du réactif (chaux vive), les besoins d’énergie et d’eau pour la production du lait de chaux, l’amortissement et la maintenance des équipements pour la fabrication du lait de chaux et les contrôles de qualité.
- L’économie d’énergie engendrée par la diminution des lavages de filtre représente environ 1 % du poste “chaux” actuel.
- L’économie d’eau pour l’opération de lavage des filtres est évaluée à 5 % du poste “chaux” actuel.
- La production de sédiment de décarbonatation est passée d’environ 12 t/jour à 8 t/jour sur 5 jours/semaine. Le gain sur les boues est estimé par EDN et Degrémont à 30 %, soit une économie de 8 % du poste “chaux” actuel.
- L'économie sur la consommation des réactifs (polymère anionique, chlorure ferrique) est estimée à 3 % du poste “chaux” actuel.
- L’économie “directe” du lait de chaux à haute réactivité sur la consommation de chaux est de 27 %.
L'économie globale du lait de chaux à haute réactivité Akdolit® sur le coût annuel actuel du poste “chaux” est de l’ordre de 44 %.
Aspects développement durable
Préservation de la ressource
La consommation d’eau pour l’opération de lavage d’un filtre est de 400 m³. Le gain potentiel sur le nombre de cycles de filtration est estimé à 1 filtration sur 4, soit un gain de 100 lavages de filtres sur les 400 lavages par an et par filtre (8 filtres), ce qui représente 320 000 m³/an d’économie d'eau de nappe. Ce volume est équivalent à la consommation moyenne d'une ville de 4 300 habitants.
Économie d’énergie
La diminution du nombre de lavages de filtres génère aussi une diminution de consommation électrique de l’ordre de 14 MW/an, ce qui représente, d’après le mix énergétique français, une réduction de 1,4 t d’émission de CO₂, équivalente à 13 000 km parcourus en véhicule Clio diesel.
Réduction de la production de boues
La production de boues est d’environ 12 t/jour sur 5 jours/semaine, soit une production de 3 330 t/an. Le gain sur les boues est estimé par EDN et Degrémont à 30 %; soit une réduction de la production de boues d’environ 1 000 t/an.
Conclusions
Les résultats obtenus ont été analysés par le groupe de travail EDN-Lhoist-Degrémont. Il est clairement démontré qu’il est préférable de décarbonater l’eau potable en réacteur catalytique en utilisant un lait de chaux à haute réactivité.
Par son efficacité accrue, seul le lait de chaux à haute réactivité permet d’optimiser les critères technico-économiques de la décarbonatation catalytique. Les résultats obtenus avec le lait de chaux haute réactivité montrent en effet des différences significatives par rapport au lait de chaux à faible réactivité.
- • Une économie sur la consommation chaux de l’ordre de 27 %.
- • Une diminution de la turbidité à la sortie Gyrazur de l’ordre de 50 % ce qui permet une économie notable sur le poste de filtration, notamment sur la consommation d’eau, d’énergie et de réactifs de floculation, et une diminution importante de production de boues.
- • Une augmentation de l’abattement du TAC, TH et du nickel, sortie Gyrazur.
Ces gains ont été évalués par le groupe de travail EDN-Lhoist-Degrémont. Il en ressort que l’économie totale en employant un lait de chaux à haute réactivité Akdolit® s’élève à environ 44 % (ramenée sur le coût actuel du poste « chaux »).
Ces performances soulignent donc l’importance d’intégrer le savoir-faire de la fabrication de lait de chaux à haute réactivité dans la conception et la réalisation des projets de décarbonatation de l’eau.
À la vue de ces résultats, et au regard des spécificités de l’offre soude (prix élevé, instabilité des prix, ajout de sodium, etc.), les offres de chaux à haute réactivité permettent l’optimisation de la décarbonatation de l’eau potable.
