Traitement des eaux de source

Traitement des eaux de source
de plus en plus riches en gaz carbonique
et de plus en plus douces :
Les exigences des nouvelles normes en Allemagne permettent de neutraliser
les eaux naturelles d’une manière plus simple avec une technique plus
écologique. Particulièrement pour les eaux douces, les eaux de forages et
chargées en CO2 , il est possible de combiner un sous dimensionnement de
filtration sur filtres neutralisants avec une technique de neutralisation physique,
dite à haut rendement.
La ville de Pexbach :
L’usine d’eau de la ville de Pexbach alimente environ 20 000 utilisateurs d’eau
potable. Les besoins annuels s’élèvent à 830 000 m3 d’eau avec une
consommation moyenne journalière d’environ 2300 m3.
Dans l’ancienne installation de traitement d’eau, il était prévu une aération et
une remontée de la minéralisation des diverses eaux mélangées par un
passage sur dolomites.
.
Pour différentes raisons, l’installation doit être rénovée en prévoyant
également une étape de traitement éliminant les contaminations organiques
.
Dans le parcours de tuyauteries jusqu’à l’utilisateur, l’eau s’enrichit d’un certain
nombre d’éléments liés aux matériaux en contact rencontrés, mis à part
l’oxydation de tuyauteries métalliques non protégées (corrosion), il est possible
que les tuyauteries avec une protection intérieure en ciment puissent
également être attaquées.
Ceci a une incidence non seulement sur la qualité de l’eau potable, mais
également, une incidence économique
.
Une des dispositions à prendre pour éviter une corrosion non souhaitable, est
la neutralisation des eaux potables par une remontée du pH.
La limite supérieure de remontée de pH pour les eaux naturelles peut etre
déterminée par l’équilibre calco-carbonique de l’eau.
Si le pH de saturation venait à être dépassé, des dépôts de tartre peuvent se
produire et entraîner une perturbation du traitement de l’eau et sa distribution.
Ce pH de saturation est différent pour chaque eau, et de façon importante,
dépendant de la concentration en gaz carbonique et en calcite (carbonate de
calcium).
Courbe n°1 :
Dureté :
Cette courbe montre les valeurs correspondantes de pH
à obtenir dans le cadre de l’ancienne et de la nouvelle
législation, en fonction de la capacité acide (M–Wert ou
TAC) comme quantité de dureté carbonatée.
Il est montré plus loin qu’en combinant la technique de la
filtration calcaire et une neutralisation physique, que les eaux
douces en teneur élevée de C02 peuvent être neutralisées
sans problème, tout en respectant les exigences de la
législation TrinkW5.
1) Il est donné la valeur correspondante du pH par
rapport à la valeur de TAC(ou M-Wert).
Pour une valeur de TAC inférieure environ de 2 mmol/l
par litre, les valeurs de pH correspondantes sont plus
significatives : ainsi, le pH à obtenir pour un TAC de 1,5
mmol/l
par litre, selon l’ancienne législation, se
transforme en un pH supérieur à 8 pour la nouvelle,
contre 7,7 dans l’ancienne.
La notion de capacité de dissolution calcite comme
limitation de l’agressivité calcaire, induit particulièrement
pour les eaux douces un assouplissement des exigences
en terme de neutralisation.
Avec cette nouvelle législation, la neutralisation des eaux
peut se faire par des procédés simples et naturels.
Les techniques de neutralisation à la soude ou bien à
l’eau de chaux, ou bien sur des filtrations de dolomites
avec les inconvénients qu’elles apportent, deviennent
avec la nouvelle législation, superflues.
Tableau N° 1
Les fabricants de matériaux filtrants pour la neutralisation, ne donnent pas curieusement les vitesses de
réaction correspondantes, d’une part à la dissolution calcaire, et d’autre part à la réduction de C02. Mais par
contre, donne des courbes explicatives qui correspondent à l’ensemble. Plus particulièrement, ces courbes
donnent le temps de contact de réservoir vide(EBTC) en fonction des données de l’eau brute et des objectifs
de traitement à obtenir, par exemple valeur de pH.
Il y a cependant pour une eau des limites à respecter, notamment pour celles qui contiennent beaucoup de C02
, et de ce fait, selon ces courbes de filtration, il y a lieu d’installer derrière la filtration, une neutralisation
mécanique.
Les données de base de la cinétique de la neutralisation sur calcaire sont communiquées par Baldauf et
Henkel.
Des formules moyennes empiriques pour l’interprétation des filtres de neutralisation sont données.
En dehors des données de l’eau brute (TAC, TA, capacité de dissolution calcite et température), il est indiqué
pour la filtration sur carbonate de calcium cristallisé les temps de contact de réservoir vide (EBTC) pour
calculer la réduction de capacité de dissolution calcite. Les constantes décrites par le producteur sont relatives
aux produits de fabrication JWNR000, composées d’hydrocarbonate d’une granulométrie de 1 à 2 mm.
Les équations ont été établies à partir d’installations existantes, en nombreuses quantités, sur des installations
prévoyant une pré-neutralisation des eaux douces et riches en C02.
Courbe n°2 :
La courbe n°2 montre la relation calculée entre la
capacité de dissolution calcite, et le temps de contact
d’un réservoir vide (EBTC) pour l’eau douce et riche en
C02 de l’usine d’eau de Pexbach.
La vitesse de réaction de neutralisation est pour les
eaux riches en C02, étonnamment grande et diminue
pour une dureté croissante.
A l’aide de la dissolution de capacité calcite sur la
courbe 2, peuvent être calculées les données
d’équilibre calco-carbonique
Tableau N°2
Courbe n°3 :
Données des valeurs de pH de TAC et de
teneur en C02 par rapport à la capacité de
dissolution calcite en fonction de la
réduction de l’acide carbonique sur une
filtration. A l’aide de ces calculs ont obtient
les éléments de traitement sur filtration
calcaire et pour neutralisation physique.
Tableau N°3
Pourquoi remonter la dureté ? :
Les eaux douces riches en C02 doivent, pour améliorer leur propriété en terme de corrosion
chimique, être re-durcies par mélange.
Une teneur en ions hydrogénocarbonate, est une, parmi d’autres, des conditions pour obtenir une
couche protectrice sur les tuyauteries métalliques.
Pour les tuyauteries des anciennes distributions, pour les tuyauteries métalliques ou en alliage non
protégé, la législation implique selon la norme DIN 50930-paragraphe 6, une capacité acide
KS4,3 >ou égale a 2mmol/l (c’est-à-dire des TAC supérieurs à 2 mmol/l), comme l’une des
conditions simultanées, et nécessaires, à remplir pour avoir une couche protectrice suffisante.
Dans ce but, dans une phase initiale simplificatrice, il est possible d’atteindre cet objectif, d’une
part, en mélangeant des eaux plus douces avec une eau de capacité acide KS4,3<2mmol/l, c’està-dire un TAC inférieur à 2 mmol/l, et en mélangeant une eau dont la valeur de pH n’est pas
admissible.
Selon la norme DVGW (fiche technique W 346 (7), il est prévu qu’en cas de recherche de
l’augmentation de la dureté, une valeur de TAC supérieure à 2 mmol/l soit atteinte.
La remontée de pH lors de la mise en route de nouvelles tuyauteries protégées par du ciment est
en fait faible, et diminue rapidement. D’autres dispositions, d’une façon générale, ne sont pas
exigées.
La montée en dureté désirée peut être réalisée par des filtres de calcaire cristallin d’une dimension
plus faible. L’étape de filtration est faite avec une eau brute chargée en gaz carbonique.
L’objectif premier de cette étape n’est pas d’obtenir les valeurs de pH exigées correspondant au
pH de saturation calcite THc et d’augmenter la capacité acide, c’est-à-dire le TAC des eaux.
L’étape de filtration peut ainsi être (sous dimensionnée).
L’ajustement de la capacité calcite Dc exigée, est obtenu par une technique physique de
neutralisation installée derrière le filtre.
La neutralisation à l’usine d’eau de Pexbach :
Les anciens traitements de l’usine d’eau de Pexbach étaient réalisés à partir d’une neutralisation
physique préalable (chute libre sans aération forcée), suivie d’une filtration sur dolomite dans des
filtres ouverts.
En dehors de l’objectif classique de traitement comprenant augmentation de la dureté et la
neutralisation, il y avait besoin à l’usine de Pexbach de prendre en compte la charge des eaux
brutes, des eaux souterraines en PBSM ,et particulièrement leurs sous produits et matières
carbonatées chlorées. (CKW)
C’est pourquoi le bureau d’étude a
prévu les techniques suivantes :
Sanitisation de l’ancienne installation
et de la filtration sur charbon actif.
Construction
d’un
traitement
prévoyant l’augmentation de la
dureté, la neutralisation du CO2, et la
filtration sur charbon actif.
Tant pour des raisons d’exploitation
que pour des raisons techniques et
économiques, l’usine d’eau de
Pexbach a pris la décision de
renouveler
complètement
l’installation de traitement d’eau.
Le but de la nouvelle installation de traitement d’eau prévoit, outre le dimensionnement de
l’augmentation de dureté et de neutralisation, la mise en place d’une technique qui prend en compte
les différents mélanges de qualités d’eau qui alimentent l’usine d’eau ; la filtration de matières
organiques indésirables dont est chargée l’eau d’alimentation, sur du
charbon actif et
le by-passage des filtres à charbon actif pour les eaux non chargées..
La réalisation de l’installation comprend en premier lieu une élévation de la dureté et une
neutralisation.
L’installation de traitement d’eau est conçue sous forme de 2 chaînes en parallèle. Chaque filtre à
charbon actif est placé après le mélange des eaux d’alimentations pour a débit de 80 à 105 m 3/h et
chacun des systèmes de neutralisation sont conçus pour un débit nominal de 105 m 3/h et un débit
de pointe de 130 m3/h. Lors de l’utilisation sur une chaîne du système de neutralisation il est
possible de passer un débit de 140 m3/h.
Chaque filtre a charbon actif est conçu pour un débit minimum de 50 m 3/h et est limité au maximum
a 105 m3/h.
Dans le tableau 1 il est indiqué les paramètres de dureté et d’acide carbonique des différentes
eaux de mélange. Le calcul de la filtration sur marbre et de la remontée en dureté
correspondante revient Baldauf et Henkel.
La capacité de dissolution calcite des eaux mélangées, en fin d’alimentation se situe entre 140
et 150 mg/l.
Celle ci ,constante après la filtration sur marbre est en dernière étape de 4,1 à 4,3 mmol/l.
Les filtres de neutralisation ont été dimensionnés pour que la dureté de l’eau traitée n’excède
pas 14° allemand, et un TAC d’environ 2 mmol/L .
Le TAC des eaux brutes mélangées se situe entre 1,7 et 1,9 mmol/l.
Ainsi se retrouvent les qualités d’eaux données par Baldauf et Henkel.
Selon les lois de réaction cinétiques, et en raison des quantités de C0 2 présentes dans le filtre, il
en résulte un durcissement de l’eau plus rapide sur le filtre de marbre que dans les équilibres
décrits pour obtenir la dureté correspondante prévue. La possibilité de faire un by-pass partiel du
filtre a été prévue, en vue d’ajuster la dureté.
Les filtres de marbre seraient alors alimentés avec une quantité d’eau moindre. Il en résulte que
le temps de contact dans les filtres soit augmenté, et que la vitesse de filtration avec ce temps de
contact correspondant soit réduite. Globalement il se produit avec le mélange de l’eau bi-passée,
une eau rendue plus douce
..
Pour l’installation de neutralisation l’objectif est d’obtenir une capacité calcite inférieure à 5 mg/l,
correspondant à une valeur de pH voisin du pHc (pH de saturation calcique).
Quatre variantes différentes de traitement ont été imaginées et 3 options qui n’ont pas été
retenues, prévoyaient une neutralisation physique en tête de la filtration. Dans la solution retenue
il est prévu un traitement préalable partiel du débit sur charbon actif, puis un passage sur des
lignes de filtres de carbonate de calcium parallèles avec une remontée de la dureté par un temps
de contact de 10 minutes suivi d’une neutralisation physique (dessin n°5). En ce qui concerne
les composés carbonatés chlorés (CKW), la solution retenue offre une sécurité complémentaire
par le fait que les composés carbonatés chlorés non retenus par les filtres à charbon actif,
puissent faire l’objet d’un «stripping» sur l’appareil de neutralisation à l’air.
Ceci peut être essentiel dans un stripping complémentaire de l’eau brute chargée de manière
significative en composés carbonés chlorés(CKW), lors du by passage partiel prévu de l’eau
brute..
Le CO2 excédentaire restant dans l’eau après la filtration (50mg/l) est éliminé avec un appareil
de stripping AQUADOSIL. Dans ce système à haute performance, l’élimination du CO2 se fait par
des fines bulles d’air apportées au travers de crépines céramiques. L’avantage principal de cette
technique, en dehors de sa grande efficacité, est la conception extra plate de l’équipement, son
faible coût d’exploitation, et son adaptation directe en cas d’exigences de traitement variables
(variation de la quantité de CO2 dans l’eau).
Les éléments techniques du traitement sont résumés dans le tableau 2.
Les variations successives de l’équilibre calco-carbonique sont reprises dans le tableau 3.
Le jour des contrôles, le système Aquadosil fonctionnait de telle façon que les résultats en
dissolution calcite étaient nuls.
Le réglage automatique de l’installation de stripping aux conditions variables, en vue d’obtenir
la valeur de pH désiré, se fait par ajustement de la vitesse de rotation des compresseurs.
Résumé :
En combinant un sous dimensionnement des filtres à calcaire avec un équipement de
stripping en aval, l’on dispose d’une technique de traitement précise et économique pour
les eaux douces et riches en gaz carbonique, qui permet d’obtenir la dureté et le TAC
désirés ainsi que le pH et la capacité de dissolution calcique souhaitables.