À la fin de l'année 1987, au Togo, a été mise en service la nouvelle installation de Cacavelli, qui marquait l'avènement des traitements biologiques des eaux souterraines en terre africaine. Dans ce qui suit, nous proposons une brève description de la façon dont cette installation a été conçue et réalisée.
Le cadre
L'alimentation en eau de la ville de Lomé, capitale du Togo, est assurée par une société d'État créée en 1964, la Régie Nationale des Eaux du Togo (RNET). Forte d'environ 600 personnes, dont 20 % de cadres et agents de maîtrise, la RNET a pour mission la production et la distribution de l'eau potable dans tous les centres urbains du pays, soit 21 villes (chefs-lieux de préfecture) et plus de 60 villages proches de ces chefs-lieux ; la population ainsi desservie peut être estimée à 1,2 million d'habitants (sur les 3 millions environ que comporte l'ensemble du pays).
Constamment croissante, la consommation d'eau de la ville de Lomé a franchi le cap des 10 Mm³/an en 1986. La ressource était constituée par une nappe située dans l'étage géologique du Continental Terminal ; telle qu'elle était, l'eau de cette nappe était conforme aux normes de potabilité, mais toutefois perfectible : agressive (pH 5,6 à 5,8), légèrement ferrugineuse (0,1 à 0,2 mg/l Fe) et à la limite des normes de potabilité en ce qui concerne les chlorures (environ 230 mg/l).
Le développement de l'urbanisation de Lomé a rendu cette ressource insuffisante et a conduit les autorités togolaises à envisager un doublement des capacités de production, en même temps qu'une amélioration de la qualité de l'eau, une extension du réseau de distribution (longueur portée de 250 à 550 km, donc plus que doublée également), une augmentation du nombre d'abonnés au réseau et la réalisation d'une gestion technique centralisée (télétransmissions assurées par radio) des différents moyens de production et de distribution.
L'ensemble de ce projet, étudié sur financement PNUD par l'ingénieur-conseil français Safège, a fait l'objet d'un financement incluant la RNET, la Banque Mondiale, la BOAD, la CCCE et le Fonds de l'OPEP. C'est l'installation de traitement, conçue par la société Degrémont et réalisée en co-traitance par cette dernière et la société Satom, qui va être plus spécialement évoquée dans ce qui va suivre.
Les ressources
Comme nous l'avons dit plus haut, c'est la nappe du Continental Terminal qui fournissait traditionnellement l'eau potable de la ville de Lomé. Trop saline, surexploitée, cette nappe verra désormais sa production limitée à 1 000 m³/h. Aux 13 forages existants, s'ajoutent toutefois 6 nouveaux forages, destinés à rendre l'exploitation plus souple et à prélever une eau de salinité moins élevée.
Deux autres nappes ont été mises en exploitation : celle du Paléocène, par 3 forages ; celle du Maestrichien, par 6 forages.
L'ensemble des travaux concernant ces nouvelles adductions d'eau brute est illustré par la figure 1, sur laquelle on peut voir leurs emplacements relatifs par rapport à la ville de Lomé, ainsi que le tracé de la conduite d'eau brute assurant l'alimentation de l'installation de traitement qui vient d'être construite à Cacavelli.
dernière est située à côté des forages du Continental Terminal, les plus anciens et les plus proches de la capitale (9 km environ du centre de Lomé).
Les caractéristiques respectives des eaux des 3 nappes sont présentées dans le tableau I. On peut les résumer ainsi :
- - température de l’ordre de 30 °C ;
- - agressivité carbonique marquée, conférant à toutes ces eaux une corrosivité qui est par ailleurs aggravée par la présence de chlorures dans l’eau du Continental Terminal et, dans une moindre mesure, dans celle du Paléocène ;
- - teneurs en fer importantes dans l’eau du Paléocène et surtout celle du Maestrichtien ;
- - par contre, quasi-absence de manganèse, d’ammoniaque (sauf dans l’eau du Paléocène), d’hydrogène sulfuré et de matières organiques ;
- - déficit en oxygène, comme c’est le cas pour la grande majorité des eaux souterraines ;
- - teneur importante en silice dissoute.
Programme des travaux
Le programme de l’augmentation des moyens de production et de leur traitement a été conçu en deux phases portées sur le tableau II.
Après achèvement de chaque phase, la répartition des différentes eaux dans le mélange sera donc modifiée, comme indiqué au tableau III.
En résumé, le passage de la 1ʳᵉ à la 2ᵉ phase se traduira par une augmentation de capacité de l’installation d’un tiers environ et par un doublement de l’apport relatif en eau du Maestrichtien, la plus riche en fer.
C’est la mise en service de la 1ʳᵉ phase qui a été réalisée en décembre 1987.
Conception du traitement
Les proportions du mélange des eaux brutes, que nous venons de voir, et la connaissance des caractéristiques de chaque nappe nous permettaient de prévoir la qualité de l’eau à traiter dans chaque phase. La composition de ces mélanges a ensuite été vérifiée par des essais sur le terrain et enfin, en ce qui concerne du moins la 1ʳᵉ phase, par l’analyse de l’eau brute parvenant à l’installation après la mise en service. L’ensemble de ces prévisions et de ces mesures est résumé dans le tableau IV.
Les commentaires que l’on peut faire à propos du mélange des eaux brutes devant alimenter l’installation de traitement sont les mêmes que ceux que nous avons faits plus haut sur les eaux des différentes nappes et sont identiques pour chacune des deux phases prévues. Il en résulte que les principes du traitement à appliquer ne varieront pas entre la 1ʳᵉ et la 2ᵉ phases et se limitent aux points suivants :
- - élimination du fer, dont la teneur se situe largement au-dessus des normes et s’accroîtra encore en 2ᵉ phase avec l’augmentation de la proportion d’eau en provenance de la nappe du Maestrichtien ;
- - neutralisation de l’agressivité carbonique par élimination physique du CO₂ et/ou action d’un produit alcalin ;
- - désinfection finale.
La chaîne de traitement initialement prévue était basée sur une déferrisation physico-chimique classique : aération par pulvérisation, injection de chaux sous forme de lait de chaux pour relever le pH (afin d’atteindre simultanément les conditions de déferrisation physico-chimique et d’équilibre calco-carbonique), filtration multicouches à une vitesse de l’ordre de 11 m/h et désinfection finale à l’hypochlorite de sodium.
Parmi les problèmes habituellement inhérents à ce procédé conventionnel, figurent avant tout les faibles valeurs du pH de l’eau brute et les phénomènes de complexation par la silice dissoute (1) ; d’après les caractéristiques analytiques des eaux (tableaux I et IV), on voit que ces deux types de problèmes pouvaient affecter, dans le cas présent, les résultats d’une installation fonctionnant sur le mode physico-chimique :
- - défaut accidentel de distribution de chaux, qui causerait un abaissement du pH au-dessous du seuil nécessaire à une rapidité d’oxydation de Fe²⁺ compatible avec le temps de passage sur une installation classique ;
Tableau I : Principales caractéristiques des différentes eaux brutes
| Nappe d’origine | Continental Terminal | Paléocène | Maestrichtien |
|---|---|---|---|
| Température (°C) | 28 à 30 | 30 à 34 | 28 à 32 |
| pH | 5,2 à 5,7 | 6,5 à 7,1 | 6,3 à 6,8 |
| TAC | 15 à 35 | 25 à 27 | 15 à 20 |
| TH (°F) | 15 à 25 | 26 à 28 | 19 à 22 |
| Chlorures (mg/l Cl⁻) | 200 à 250 | 80 à 90 | 30 à 35 |
| Fer (mg/l Fe) | 0,05 à 0,5 | 0,5 à 0,6 | 2 à 2,5 |
| Manganèse (mg/l Mn) | < 0,02 | < 0,01 | < 0,05 |
| Ammoniaque (mg/l NH₄) | Traces | 0,5 | 0,02 |
| Silice (mg/l SiO₂) | 25 à 35 | 15 à 18 | 15 à 25 |
| Oxygène dissous (mg/l O₂) | 0 à 1,5 | 0 à 0,15 | Traces |
| CO₂ libre (mg/l) | 90 à 250 | 40 à 160 | 55 à 200 |
| H₂S (mg/l) | n.d. | Traces | n.d. |
| Oxydabilité (mg/l O₂) | 1,5 | 0,55 | 1,05 |
Tableau II
| Origine de l’eau | 1ʳᵉ phase | Total après extension | ||
|---|---|---|---|---|
| m³/j | m³/h | m³/j | m³/h | |
| Continental Terminal | 24 000 | 1 000 | 24 000 | 1 000 |
| Paléocène | 6 700 | 280 | 6 700 | 280 |
| Maestrichtien | 8 100 | 337 | 22 500 | 937 |
| Total | 38 800 | 1 617 | 53 200 | 2 217 |
Tableau III
| Origine de l’eau | Proportions | |
|---|---|---|
| 1ʳᵉ phase | 2ᵉ phase | |
| Continental Terminal | 62 % | 45 % |
| Paléocène | 17 % | 12,5 % |
| Maestrichtien | 21 % | 42,5 % |
- - teneur en silice dissoute nettement supérieure au seuil (qui est de l'ordre de 15 mg/l) à partir duquel les phénomènes de complexation se manifestent et nécessiteraient alors l'emploi de réactifs complémentaires (permanganate de potassium et/ou floculant).
Du reste, le laboratoire de la RNET avait procédé à des tests préliminaires d'aération (par transvasements) et de filtration : les résultats avaient fait ressortir la persistance, dans l'eau filtrée, d'une teneur en fer complexé pouvant atteindre 0,3 à 0,5 mg/l, donc très nettement supérieure aux normes de la directive européenne de 1980 (niveau-guide : 0,05 mg/l ; concentration maximale admissible : 0,2 mg/l).
Après examen, la filière physicochimique ne s'avérait donc pas la solution idéale dans le cas présent. Par contre, cette eau présentait toutes les caractéristiques requises pour une application de la déferrisation biologique, procédé que la société Degrémont a été la première à étudier (2) puis à développer en France (1) (3), plaçant ainsi une nouvelle fois l'école française de l'eau au premier rang mondial dans une spécialité encore peu connue : plus de 80 installations déjà construites par Degrémont en déferrisation biologique lui ont donné plusieurs années d'avance dans ce domaine, pour lequel le traitement se détermine « à la carte » au lieu d'être systématiquement reproductible d'une station à l'autre.
On sait que la déferrisation biologique se réalise sous l'action de bactéries spécifiques (telles que Leptothrix ochracea, Gallionella ferruginea, etc.) qui, grâce à leur action catalytique, accélèrent l'oxydation du fer Fe (II) pour accumuler ensuite les produits d'oxydation sous une forme beaucoup plus compacte, donc moins colmatante pour les filtres, que le floc gélatineux d'hydroxyde ferrique formé au cours des procédés physicochimiques : il en résulte des cycles de filtration plus longs, une plus grande quantité de fer retenue par m³ de filtre entre deux lavages (environ cinq fois plus que dans les procédés conventionnels) et la production d'eaux de lavage des filtres contenant des boues denses qui présentent une bonne aptitude à la décantation. En outre, le coût d'investissement est très inférieur à celui des filières physicochimiques, pour trois raisons principales :
- - l'oxydation et la filtration sont pratiquement simultanées : une simple injection d'air en amont des filtres est donc suffisante ;
- - la vitesse de filtration admissible est beaucoup plus élevée ;
- - aucun oxydant ou floculant complémentaire ne sont nécessaires.
Dans le cas de Lomé, une campagne d'analyses sur le terrain nous a permis de vérifier les conditions d'aération qu'il fallait appliquer pour que les eaux brutes mélangées de chacune des deux phases se prêtent à la déferrisation biologique. D'autre part, l'examen microscopique des boues recueillies dans le réservoir d'eau brute de l'installation d'une petite ville voisine (Tsevié), recevant l'eau de la nappe du Maastrichtien, nous a permis de constater la présence en abondance de l'une des plus communes des ferrobactéries, Gallionella ferruginea ; grâce à son pédoncule spiralé caractéristique, cette espèce est toujours facilement identifiable à l'examen direct, tant à l'état isolé (figure 2) qu'en population dense dans la boue recueillie après lavage d'un filtre (figure 3). L'ensemencement naturel des futurs filtres de Cacavelli paraissait donc également assuré, ce qui a été du reste vérifié, avant construction de l'installation, par une campagne d'essais sur pilote, effectués à Lomé sur les différentes eaux et sur les mélanges correspondant à chacune des deux phases.
Tableau IV : Composition moyenne des mélanges d'eaux brutes correspondant à chaque phase de l'installation de traitement
| 1ʳᵉ phase (1987) | 2ᵉ phase | ||
|---|---|---|---|
| Étape de construction | Prévu | Mesuré* (12.87) | Prévu |
| Température (°C) | 30 à 31 | 29,5 à 30 | 30 |
| pH | 6,15 à 6,35 | 6,3 à 6,5 | 6,3 à 6,5 |
| TAC (°F) | 9 à 11,5 | 9 à 11 | 11 à 15 |
| Calcium (°F) | 12 | 11 | 13 |
| Chlorures (mg/l Cl⁻) | 160 | 130 | 130 |
| Fer (mg/l Fe) | 0,4 à 0,6 | 0,35 à 0,45 | 0,75 à 1,1 |
| Manganèse (mg/l Mn) | ≤ 0,03 | 0,03 à 0,05 | ≤ 0,03 |
| Ammoniaque (mg/l NH₄⁺) | ≤ 0,1 | ≤ 0,1 | ≤ 0,1 |
| Silice (mg/l SiO₂) | 20 à 25 | 20 | |
| Oxygène dissous (mg/l O₂) | 0 à 1 | 0 à 2,7 | 0 à 0,7 |
| CO₂ libre (mg/l) | 75 à 170 | 90 à 110 | 75 à 150 |
| Oxydabilité (mg/l O₂) | 1,25 | 1,2 | |
* Lors de la mise en service de la 1ʳᵉ phase.
La filière biologique de Lomé
Sur l'installation de Cacavelli, cette filière a été mise en œuvre de la façon suivante (figure 4) :
- aération par cascade à trois étages, la hauteur de chute totale étant égale à 1,5 m. Un by-pass partiel a été prévu afin de pouvoir éventuellement adapter la teneur en O₂ dissous aux besoins exacts du procédé ;
- filtration sur appareils ouverts en béton, du type Aquazur V ; la batterie filtrante présente les caractéristiques suivantes :
- • 3 filtres en 1ʳᵉ phase, un 4ᵉ filtre étant équipé en 2ᵉ phase (le GC de l'ensemble a été construit dès l'origine),
- • surface unitaire : 24,5 m²,
- • vitesse de filtration : 22 à 23 m³/h·m²,
- • régulation aéro-hydraulique par siphon partiellement aéré,
- • masse filtrante : 1,4 m de sable de TEN 1,35 mm,
- • lavage à l'eau brute.
- aération secondaire, à deux niveaux :
- • dans le système de régulation des filtres (siphons aérés et déversoirs des vasques de réception) ;
- • à l'entrée des réservoirs d'eau traitée (chute).
- traitement de finition :
- • chaux, sous forme d'eau de chaux issue d'un saturateur ;
- • chlore, sous forme d'hypochlorite de calcium en solution.
Parmi les nombreux avantages que présente la déferrisation biologique (1), certains d'entre eux sont évidents dès le stade du projet, comme on peut le voir sur la figure 5 : l'installation est beaucoup plus compacte que dans l'hypothèse de l'adoption d'une filière physico-chimique, même très performante, et deux des quatre réactifs prévus peuvent être supprimés.
Tableau V : Installation de Lomé (Togo)
Résultats des analyses effectuées lors de la mise en service (décembre 1987)
| Fer (mg/l) : 0,35 à 0,45 → ≤ 0,03 (garantie < 0,2) |
| Manganèse (mg/l) : 0,03 à 0,05 → ≤ 0,03 |
| Fe + Mn (mg/l) : — → ≤ 0,05 (garantie < 0,2) |
| Turbidité (NTU) : 0,2 à 0,25 → 0,15 (garantie < 1) |
| Couleur (ppm PtCo) : 2,5 → < 2,5 (garantie < 10) |
| O₂ dissous (mg/l) : 2 à 2,7 → 7,8 |
| % saturation : 35 % → 100 % (garantie > 75 %) |
| pH : 6,3 → 7,4 à 7,5 (pHs 7,5) |
| Cl₂ résiduel (mg/l) : — → 0,1 à 0,7 |
Autres particularités de l'installation
Le site de Cacavelli ne disposant d'aucun exutoire pour l'élimination des eaux de lavage des filtres, les avantages de la déferrisation biologique exposés plus haut (en particulier, utilisation de plus faibles quantités d'eaux de lavage qui, au rejet, contiennent par contre des boues plus denses et mieux décantables) ont été mis à profit en installant un circuit de traitement et de recyclage de ces eaux ; le fonctionnement en est le suivant.
À leur sortie des filtres, les eaux de lavage sont recueillies dans deux bâches situées sous la batterie filtrante (une bâche pour deux filtres en phase finale). Dans chaque bâche, d'une capacité suffisante pour un lavage, l'eau est stockée puis décantée naturellement sans ajout d'aucun réactif complémentaire.
Les lavages très espacés des filtres autorisent des périodes de décantation de 12 heures au minimum. Ces longues périodes, jointes à la bonne décantabilité des boues biologiques, permettent une séparation efficace entre la boue épaissie et l'eau surnageante claire.
À l'issue de la période de décantation, le surnageant clair est recyclé à petit débit en tête de l'installation de traitement pour être mélangé à l'eau brute, tandis que les boues sont dirigées gravitairement vers une fosse de relevage dans laquelle sont également recueillies les boues d'incuits de chaux provenant du saturateur.
Le mélange des boues provenant du lavage des filtres et des circuits de la chaux est alors relevé à l'aide d'un petit groupe électropompe à fonctionnement automatique vers un épaississeur en béton de 3,5 m de diamètre. Le surnageant clair de cet ouvrage est à son tour recyclé gravitairement vers la filière de traitement alors que les boues épaissies sont périodiquement extraites gravitairement et dirigées vers des lits de séchage (5 lits de 70 m² en 1ʳᵉ phase).
À l'exception de l'eau interstitielle de ces boues épaissies, les pertes en eau de lavage de l'installation de traitement biologique de Cacavelli sont donc nulles.
Premiers résultats industriels
La première phase de l'installation a été construite en moins d'un an et mise en service fin 1987, en avance sur le planning prévu. On peut avoir une idée de son implantation générale sur la figure 6, alors que la figure 7 donne une vue plus détaillée sur la cascade et les filtres.
Les essais sur installation-pilote avaient montré que l'ensemencement d'un sable neuf pouvait être achevé en une douzaine d'heures, grâce aux ferrobactéries de l'espèce Gallionella ferruginea présentes dans les eaux des nappes, en particulier celle du Maestrichtien.
La mise en service a été effectuée avec le débit d'eau brute qui était alors disponible : 1 500 m³/h, soit une valeur proche de la capacité nominale de la 1ʳᵉ phase (1 620 m³/h). La composition du mélange des eaux brutes correspondait également à la prévision : ce point peut être vérifié avec précision dans la mesure où les eaux du Continental Terminal et celles du Paléocène et du Maestrichtien parviennent à l'installation par deux conduites différentes (figure 1), équipées chacune d'un débitmètre.
Dans l'eau filtrée, la teneur en fer résiduel était inférieure ou égale à 0,1 mg/l après 12 heures de fonctionnement et inférieure à 0,03 mg/l après 24 heures de fonctionnement. Après cette courte période de stabilisation, les résultats moyens du traitement ont été conformes aux chiffres du tableau V, dans lequel on peut voir que les garanties demandées pour l'eau traitée ont été largement respectées.
Ajoutons en outre que malgré la concentration importante en CO₂ de l'eau brute, conduisant à des phénomènes inévitables de dégazage dans le sable, malgré la forte hauteur d'eau (1,5 m) du type de filtres mis en œuvre, la durée des cycles de filtration excède largement 48 heures. Un lavage (à l'eau brute) n'immobilise le filtre que 8,5 minutes au total, soit :
- - vidange : 2 minutes,
- - constitution du matelas d'air : 1 minute,
- - soufflage : 1,5 minute,
- - rinçage : 4 minutes.
Conclusion
Le choix d'une filière de déferrisation biologique pour le traitement de l'eau de Lomé a permis de construire une installation compacte, économique et performante. Ce procédé, simple à exploiter, a déjà été appliqué avec succès par la société Degrémont dans près d'une centaine d'installations en France, de petite et moyenne importance. Le présent exemple montre qu'il est bien adapté également pour des installations de toutes tailles, sous toutes les latitudes, et plus particulièrement dans les pays où les réactifs chimiques sont chers : marquant une étape supplémentaire tant dans les transferts de technologie que dans le renouveau des procédés biologiques en matière de traitement d'eau potable, ce procédé peut en outre être qualifié d'écologique et se trouve de ce fait promis à un bel avenir.
Bibliographie
1 – MOUCHET, P. et al. (1985) : « Élimination du fer et du manganèse contenus dans les eaux souterraines : problèmes classiques, progrès récents » – Water Supply, Vol. 3, Berlin (B), 137-149.
2 – MOUCHET, P. & MAGNIN, J. (1979) : « Un cas complexe de déferrisation d'une eau souterraine » – TSM – L'Eau, 74 (3), 135-143.
3 – HETTLER, J.-P. (1982) : « Une station de déferrisation biologique » – TSM – L'Eau, 77 (10), 481-484.
4 – MOUCHET, P. (1982) : « Développement de la déferrisation biologique en France » – TSM 84 (7-8), 401-412.
Remerciements
Nous remercions M. Yao BADJO, Directeur Général de la Régie Nationale des Eaux du Togo, et son Ingénieur-Conseil la SAFEGE, pour nous avoir autorisés à publier cet article.
