Une originalité : la préoxydation aux monochloramines
Société Lyonnaise des Eaux et de l'Éclairage
PRÉFACE
Sur les rives de la Moine, Cholet a été reconstruite après les guerres de Vendée. C'est une ville active dont les célèbres mouchoirs ont popularisé le nom. Soucieux de créer les emplois nécessaires, les habitants ont complété leurs industries traditionnelles par de nouvelles activités liées à la confection, la chaussure, l'électronique et la chimie.
Pour faire face à ces besoins, Cholet s'est dotée à la fin du siècle dernier d'un réseau d'eau potable qui s'est développé parallèlement à l'extension de la cité.
C'est en 1882 que sont creusées les galeries drainantes de la Ragasse qui fournissaient en moyenne 300 m³/jour. En 1953, le champ captant de la Rucette, constitué d'une série de forages profonds, fournissait 1 000 m³/jour d'une eau de très bonne qualité. Les besoins augmentant, la municipalité décidait la construction d'un barrage sur la Moine au lieu-dit Moulin Ribou, lequel fut achevé en 1958. Sa retenue de 3,2 millions de m³ a assuré l'alimentation de la ville jusqu'à la mise en service du barrage de Verdon en 1979. Ce dernier ouvrage, d'une capacité de 14 millions de m³, met Cholet à l'abri des sécheresses les plus sévères.
* *
Aujourd'hui, les eaux de surface doivent être traitées avant d'être livrées à la consommation et trois unités de traitement ont été réalisées :
- — la première de 300 m³/h en 1958,
- — la seconde de 600 m³/h en 1969,
- — la troisième de 600 m³/h en 1976.
La capacité actuelle de 1 500 m³/h suffit largement à assurer le débit de pointe annuel, mais la chaîne de traitement qui sera exposée plus loin ne permet pas de satisfaire les nouvelles normes européennes qui doivent être appliquées prochainement dans notre pays.
Les principaux problèmes à résoudre concernent :
- — la formation d'haloformes,
- — la forte teneur en matières organiques,
- — l'équilibre calco-carbonique.
Le service ayant été affermé en 1968 à la Société Lyonnaise des Eaux, la municipalité a demandé à cette société d'étudier les solutions propres à résoudre ces difficultés. Une étude en laboratoire et sur pilote a donc été entreprise en 1982, et l'article qui suit décrit les essais effectués et les propositions d'équipement faites à la ville de Cholet pour compléter ses installations en conséquence.
La municipalité devra à présent prendre ses décisions pour ce qui concerne les investissements nécessaires mais, comme elle l'a toujours fait dans le passé, la ville de Cholet, forte de l'expérience et de la compétence des spécialistes de la Société Lyonnaise des Eaux, saura faire face aux exigences de notre époque.
M. BOURJON Directeur Général des Services Techniques de la Ville
LE TRAITEMENT
L’eau du lac de Ribou est une eau de barrage peu minéralisée, qui se caractérise par une forte teneur en matières organiques et qui est le lieu d'un développement d’algues important en période estivale (tableau 1). À certaines périodes de l'année, elle peut contenir du manganèse et des traces de composés azotés (ammoniaque et nitrites par exemple...). Le traitement, particulièrement délicat, de cette eau comporte plusieurs stades :
| TABLEAU N°1 | |
| CARACTÉRISTIQUES DE L'EAU BRUTE DU RIBOU | |
| TURBIDITÉ (JTU) | 2 - 10 |
| RÉSISTIVITÉ (Ω.cm) | 4000 - 5000 |
| pH | 7,2 - 9,3 |
| KMnO₄ (mg/l) | 8 - 12 |
| TH (°F) | 6 - 8 |
| TAC (°F) | 4 - 6 |
| Cl⁻ (mg/l) | 20 - 30 |
| SO₄²⁻ (mg/l) | 15 - 20 |
| NO₃ (mg/l) | 5 - 10 |
| NO₂ (mg/l) | 0 - 0,1 |
| NH₄⁺ (mg/l) | 0 - 0,5 |
| Fe (μg/l) | 100 - 1000 |
| Mn (μg/l) | 20 - 200 |
| Algues | 10⁵ à 10⁸ |
— préchloration au chlore gazeux ;
— floculation avec un sel d’alumine et injection de chaux avec éventuellement la possibilité d’ajouter du permanganate de potassium pour traiter le manganèse ;
— décantation ; filtration sur sable ;
— ozonation ;
— ajustement du pH à l'eau de chaux ;
— stockage et chloration avant refoulement.
Les équipements correspondant à chaque ligne de traitement sont différents, la technologie ayant évolué entre 1955 et 1976. Par exemple, la première tranche comporte des dispositifs de floculation et de décantation séparés, alors que les deux tranches suivantes sont dotées d'un seul ouvrage de floculation-décantation avec, pour la dernière tranche, un appareil à lit de boue pulsé (le Pulsator de Degrémont). De même, la mise en œuvre de l’ozonation est différenciée dans le temps puisque l’on trouve sur l’usine des ozoneurs à plaques ou à tubes ainsi que des émulseurs ou des tours de contact.
POSITION DU PROBLÈME
Malgré ce traitement sophistiqué, des problèmes de qualité d’eau sont apparus au cours des années 1980 ; l'adoption par la Communauté Européenne de nouvelles normes remettait partiellement en cause la conception actuelle du traitement de l'eau du Ribou.
Les principales difficultés rencontrées peuvent se résumer comme suit :
a) Les haloformes, composés formés lors de la préchloration de l'eau brute, sont présents en trop grande quantité dans l’eau traitée. En effet, ils ne sont pas éliminés par le traitement actuel et leur concentration dans l'eau dépasse largement le niveau guide des normes européennes (100 μg/l).
b) Les matières organiques, présentes à de fortes teneurs dans l'eau brute, ne sont que partiellement éliminées. Leur concentration dans l'eau traitée est largement supérieure aux recommandations des communautés européennes et a des conséquences néfastes sur la qualité de l'eau distribuée par le réseau (développement d’algues et de bactéries, risque potentiel de dégradation des paramètres organoleptiques).
c) L’équilibre calco-carbonique L'étude des espèces en solution met en évidence le caractère agressif et la faible minéralisation de l’eau refoulée par l’usine du Ribou. La teneur en carbonate est assez basse, ce qui ne permet sans doute pas la formation d’une couche carbonatée calcique protectrice contre la corrosion des métaux ferreux.
Compte tenu des problèmes en cause, une approche spécifique était possible, et l'on verra comment leur réduction progressive aboutit à une amélioration globale de la chaîne de traitement.
RÉDUCTION DES HALOFORMES - UTILISATION DES MONOCHLORAMINES
Pour éviter la formation des haloformes et compte tenu de la qualité de l’eau brute du Ribou, il fallait supprimer la préchloration. Le choix potentiel était le suivant :
- ne pas utiliser de préoxydation,
- effectuer une préoxydation au ClO₂,
- réaliser une préoxydation aux monochloramines.
La première solution a fait l'objet d'un essai industriel d’environ un mois, qui ne s’est pas révélé satisfaisant ; en effet, il a été observé une augmentation de la turbidité de l'eau décantée de 1 à 2 JTU, une réduction d’environ moitié de la durée de vie des filtres et un développement important d’algues sur les ouvrages.
La deuxième solution a été étudiée en laboratoire. L’essai effectué montre que, pour obtenir un résiduel d’environ 0,6 g/m³, le taux de traitement nécessaire est de 3 g ClO₂/m³, ce qui conduit à un résiduel de 2 g/m³ de ClO₂Na. Or, il est maintenant acquis que le dioxyde de chlore et que le chlorite interfèrent fortement sur l'ozone (Y. Richard et coll.). Les mesures réalisées sur place confirment cette observation.
L’interférence et, avec une préoxydation au ClO₂, il serait nécessaire d'introduire plus de 3 mg/m³ d’ozone pour obtenir un résiduel supérieur à 0,2 g de O₃/m³ (figure 3). Ce taux de traitement est rédhibitoire pour l'installation existante et cette solution, bien qu’attrayante, a dû être abandonnée.
La troisième solution a donc retenu notre attention ; en effet, si l’utilisation des monochloramines est connue depuis très longtemps en désinfection finale et abandonnée à juste titre parce que moins efficace que le chlore, cette solution — préoxydation aux monochloramines — devrait permettre de maintenir un résiduel d’oxydant le long des lignes de traitement tout en évitant la formation des haloformes. Elle a donc été mise en œuvre sur la chaîne de l’usine de Cholet (figure 1) à titre d’essai.
Préparation des monochloramines
Par le passé, des solutions de monochloramines étaient synthétisées à partir de chlore et d’ammoniaque gazeux, dans des réacteurs contenant un matériau inerte (type billes de verre ou pouzzolane...). L'obtention de solutions très concentrées et uniquement composées de monochloramines n’était pas facile. À Cholet, compte tenu des caractéristiques de l'eau brute (pH voisin de 8) la synthèse, in situ, des chloramines semblait possible. On a donc cherché à faire réagir l'ammoniaque de l’eau brute (naturellement présent ou artificiellement ajouté si cela s’avérait nécessaire) sur le chlore.
La figure 4 présente le résultat d'un essai en laboratoire effectué sur l'eau brute dopée à 1 mg/l d’ammoniaque. La courbe obtenue est classique, mais on note sur l'eau de Cholet que :
— la valeur maximum en monochloramines (3,5 mg/l) est très proche de la stœchiométrie. Elle est obtenue pour un rapport Cl₂/NH₄ compris entre 5 et 6, ce qui est supérieur aux valeurs indiquées par la littérature, — le break-point est atteint pour un rapport Cl₂/NH₄ d’environ 11, — si l'on veut traiter un maximum de monochloramines, il reste un résiduel d’ammoniaque de 0,2 à 0,3 g/m³.
Stabilité des monochloramines
Les essais sont effectués sur la même eau brute, avec un apport Cl₂ introduit/NH₄ introduit de 5,7. On fait varier les concentrations en ammoniaque et en chlore, et on regarde la stabilité dans le temps du résiduel de monochloramines. Les résultats obtenus (tableau 2) amènent les conclusions suivantes :
— il est facile d’obtenir des doses importantes de monochloramines tout en ayant très peu de chloramines sous une autre forme, comme le montre la comparaison chlore total – monochloramines ; pour de fortes concentrations (essais n° 4), ceci est moins bien vérifié.
- - les monochloramines sont stables dans le temps, et d’autant plus qu’elles sont présentes en faible quantité ;
- - les rapports monochloramines/chlore obtenus sont très proches du rapport théorique et montrent bien que l'on a une formation quantitative des monochloramines à partir du chlore et de l'ammoniaque ; les bilans sur l'ammoniaque sont moins bons mais s'expliquent par les difficultés de dosage rencontrées sur le terrain.
Résultats obtenus avec les monochloramines
Les essais en laboratoire ont bien montré la faisabilité et la fiabilité de la fabrication des monochloramines ; restait à démontrer leur efficacité sur la chaîne industrielle.
La préoxydation aux monochloramines a donc été mise en œuvre sur l'une des filières industrielles de l’usine de Cholet. Ainsi, il a été possible de comparer dans de très bonnes conditions, une préchloration (chaîne II ou III) et une préoxydation aux monochloramines (chaîne I) sur des filières de traitement de 300 m³/h. Les résultats sont présentés sur les figures 5, 6 et 7.
Lors de ces essais, tous les autres paramètres du traitement sont restés identiques (taux de traitement en Ca(OH)₂, en sulfate d’aluminium, en ozone et en chlore...). Il en ressort que :
- - les trois eaux filtrées des trois filières de traitement ont des caractéristiques comparables, sur les trois paramètres : oxydabilité au permanganate, densité optique et teneur en carbone organique total ;
- - les eaux traitées — on entend par eaux traitées les eaux ayant reçu les traitements d’ozonation et de désinfection qui complètent le traitement après la filtration (voir figure 1) — sont également de qualité assez comparable, et apparaissent globalement un peu meilleures que les eaux filtrées.
L’élimination des algues (figure 8) est tout à fait satisfaisante avec les monochloramines puisqu’on obtient des résultats sensiblement identiques à ceux obtenus sur le chlore. Pendant toute la durée des essais, aucun développement d’algues n’a pu être observé sur l’un quelconque des ouvrages de la filière fonctionnant avec les monochloramines.
Influence du traitement aux monochloramines sur les étapes d’ozonation et de désinfection
Si les monochloramines permettent d’obtenir des qualités d’eau filtrée identiques, il est par ailleurs important de connaître les modifications qu’elles paraissent apporter dans le fonctionnement des étapes suivantes du traitement.
Des demandes en ozone, effectuées sur les trois filières de traitement (figure 9), montrent qu’il y a un accroissement de la demande d’ozone en présence de chloramines. Afin de vérifier qu’il n’y a pas interconsommation des chloramines par l’ozone, comme c’est le cas avec le dioxyde de chlore, des demandes d’ozone sur des eaux contenant 0,5 et 3,5 g de NH₂Cl ont été effectuées. Il apparaît (figure 10) qu’il n’y a pas augmentation de la demande d’ozone entre ces deux eaux, mais que leur demande reste supérieure à celle d’une eau ne contenant pas de monochloramines. Ces quelques constatations mériteraient d’être approfondies pour en améliorer la compréhension. Cependant, si l’on ajoute que la concentration en monochloramines ne varie pas au cours de l’ozonation, les monochloramines agiraient alors comme « catalyseur » de la réaction d’ozonation.
Des études sont actuellement en cours dans notre laboratoire pour confirmer ou infirmer cette hypothèse ; en définitive, cette légère surconsommation d’ozone n’était pas rédhibitoire pour la puissance des ozoneurs installés. Au niveau de la désinfection finale, un résiduel d’ammoniaque et la présence de monochloramines ne pouvaient que créer un break-point compris entre 2,5 et 3 mg/l de Cl₂ (figure 11).
À ce niveau, il apparaît important de faire un bilan comparatif sur les haloformes et sur la quantité globale de chlore consommé. Si l’on considère l’ensemble de la chaîne.
de traitement, la quantité d’haloformes produite par la filière 1, fonctionnant avec les monochloramines, est deux à trois fois plus faible (figure 12).
Par ailleurs, pendant toute la période d’essai, le bilan « chlore » s’établit comme indiqué sur le tableau n° 3.
TABLEAU n° 3
BILAN « CHLORE »
Cl₂ (g/m³)
| Préoxydation | 1,5 | 8 | 3 |
|---|---|---|---|
| Désinfection | 4 | 2 | 94 |
La consommation moyenne de chlore est donc réduite globalement de moitié quand on utilise les monochloramines.
Conclusion sur les monochloramines
L’utilisation des monochloramines en préoxydation apparaît comme une solution originale et élégante. En effet, les monochloramines, en prétraitement, ne posent pas les problèmes qui ont présidé à leur abandon en traitement de désinfection finale (coût, efficacité bactéricide et virulicide faibles).
Si elles modifient le comportement des étapes d’ozonation et de désinfection au chlore, qui peuvent être adaptées en conséquence, elles permettent de résoudre les problèmes d’haloformes et d’obtenir une qualité d’eau satisfaisante.
De plus, pour un coût d’investissement minime, cette solution permet une économie de réactifs importante.
AUTRES AMÉLIORATIONS DU TRAITEMENT
Les matières organiques
Outre le problème des haloformes, il était également nécessaire de perfectionner le traitement pour réduire la teneur en matières organiques de l’eau refoulée.
Les traitements privilégiés des matières organiques sont la coagulation comme traitement principal et le charbon actif comme traitement d’affinage.
Sur les chaînes de traitement existantes, la capacité de réaction aux matières organiques, si l’on englobe toutes les étapes, est d’environ 70 % sur l’oxydabilité et seulement de 40 à 50 % sur le carbone organique total. Le résiduel de matières organiques est donc généralement aux alentours de 3 mg O₂/l (dosage KMnO₄ en milieu acide) et de 5 mg COT/l. Ces valeurs doivent être abaissées pour résoudre les problèmes de qualité d’eau sur le réseau.
La mise en place d’un filtre pilote pendant plusieurs mois, à l’usine de Cholet, a permis de bien suivre l’évolution des matières organiques après la filtration sur charbon actif en grains (figure 1).
Les résultats obtenus (figures 5, 6 et 7) montrent :
— que pendant trois mois de fonctionnement, le charbon permet de réduire de 60 à 70 % le taux de matières organiques, quelle que soit la méthode de mesure ; — qu’après six mois de fonctionnement, le charbon est relativement saturé ; son activité résiduelle est d’environ 20 à 25 % selon les paramètres. Il garde cependant une activité intéressante concernant les haloformes (réduction de 50 %). Par ailleurs, il permet d’obtenir une eau de qualités organoleptiques irréprochable.
Cependant, l’accroissement nécessaire de la longévité du charbon actif passe par l’amélioration de la qualité d’eau en amont de l’étape de filtration. Pour cela des essais de coagulation-floculation à pH acide ont été entrepris à Cholet. Le résultat de ces essais sur une chaîne industrielle montre qu’il est facile d’obtenir une amélioration de 50 % de la qualité de l’eau traitée avant filtration sur charbon actif en grains.
En effet, au laboratoire comme en grandeur nature, une coagulation à pH = 5,9-6,0 permet d’obtenir 80 à 85 % de réduction des matières organiques, selon les différents coagulants testés. Dans ce cas, si l’on vise un résiduel de matières organiques d’environ 1 mg O₂/l, on peut prévoir une durée de vie du charbon d’environ un an. Cette valeur est le seuil couramment admis par la littérature et par la profession pour distribuer, dans de bonnes conditions, une eau d’excellente qualité.
En conclusion, la filtration sur charbon actif, associée à un prétraitement de coagulation à pH acide, apparaît comme le couplage idéal pour atteindre une qualité d’eau excellente.
Équilibre calco-carbonique
Compte tenu de ce qui précède, en particulier du choix de la coagulation à pH acide, il sera nécessaire de conserver une légère introduction de lait de chaux pour contrôler le pH de floculation ; il est indispensable de prévoir un traitement à
l'eau de chaux pour remonter le pH après la coagulation et avant la filtration sur sable.
Pour corriger les tendances agressives de l'eau et pour lui donner son pH d'équilibre, et compte tenu des valeurs finales du TAC et du TH, une addition de bicarbonate de sodium est souhaitable. Elle permettrait de remonter le TAC sans toucher au TH.
CONCLUSION
Une analyse précise des problèmes posés a permis, sur l'usine de Cholet, d'étudier et de prévoir les solutions permettant d'adapter le traitement de l'eau aux nouvelles normes européennes. Les monochloramines, traitement du passé, utilisées en préoxydation peuvent résoudre le problème très actuel des haloformes.
Le couplage coagulation à pH acide/adsorption sur charbon actif, doit permettre d'atteindre des niveaux de matières organiques acceptables sur l'eau traitée, quelle que soit la teneur de l'eau brute. Sur une eau initialement difficile à traiter, et malgré une chaîne de traitement existante sophistiquée, il est possible d'améliorer encore la qualité de l'eau pour atteindre l'excellence. Si cela nécessitait de nouveaux traitements (charbon actif), c'est l'adaptation des traitements existants (passage de la préchloration à la préchloramination, et modification du pH de coagulation-floculation) qui permettra demain à la ville de Cholet de se placer à la pointe du progrès dans la production d'eau potable.
Les auteurs remercient MM. Brochon et Codiasse qui ont effectué les essais de laboratoire et les essais sur site.
Nota. — L'auteur se tient à la disposition des personnes intéressées pour leur fournir la bibliographie.
La silice dans l'eau ultra-pure
CLIFFORD C. HACH
Hach Company
Texte français de
Claude DUGAS
Société Cofradis
Toutes les eaux naturelles se sont trouvées en contact avec la terre, qui est constituée principalement de minéraux silicatés ; quelques-uns parmi des milliers de silicates différents, sont indiqués ci-dessous :
| Nature | Formule | Teneur en silice |
|---|---|---|
| Silice, Sable, Quartz | SiO₂ | 100 % |
| Feldspath, Roche | KAlSi₃O₈ | 65 % |
| Kaolinite, Argile | Al₂H₂Si₂O₉₄)₂·H₂O | 47 % |
| Talc | Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ | 60 % |
| Mica | (H₂O)F₂)₂KLi₃Al₄Si₉O₂₀)₁₂ | 43 % |
| Sillimanite | Al₂SiO₅ | 37 % |
| Actinolite, Amiante | Ca(MgFe)₃(SiO₃)₄ | 41 % |
Le silicium, composant environ 26 % de l'écorce terrestre est le second élément naturel par ordre d'abondance ; il est devancé seulement par l'oxygène.
La silice pure, ou sable blanc, est présente partout sur terre ; elle comporte une solubilité limitée dans l'eau, mais cette solubilité dépend de nombreux facteurs. Prenons, par exemple, du sable blanc de mer qui a été placé dans de l'eau exempte de silice et agité chaque jour ; des échantillons de cette eau ont été prélevés et la teneur en silice déterminée par la méthode colorimétrique au molybdate. Après un jour, la teneur en silice réactive (soluble) de l'eau était de 0,25 ppm et après 42 jours de 5,0 ppm. Dans une seconde expérience, une quantité de silice colloïdale (Cabosil) a été agitée pendant des durées variables avec de l'eau exempte de silice, puis filtrée : après 5 minutes d'agitation, le filtrat contenait 1 ppm de silice réactive ; après 30 minutes 17,5 ppm et après 24 heures 40 ppm.
Les procédés courants de traitement d'eau, coagulation, floculation et décantation suivie d'une filtration, éliminent la turbidité de l'eau, mais pour obtenir une eau filtrée d'une turbidité résiduelle bien inférieure à l'unité Jackson ou Formazine, ces procédés doivent être conduits avec beaucoup de soins ; de plus, comme les procédés de clarification de l'eau sont quelque peu empiriques, il arrive que la turbidité de l'eau filtrée se situe au-dessus du niveau le plus bas que l'on pourrait atteindre : toutefois, dans les conditions optimales de traitement, la turbidité de l'eau filtrée peut descendre jusqu'à 0,1 unité de turbidité.
