Traitement primaire de l'eau
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Vous avez de Les ressources en eau douce de surface comme les cours d'eau fournissent une eau brute qui contient énormément de pollutions qui la rendent non potable; il faut donc les éliminer. Dans ce but l'eau va subir un certain nombre de traitements nécessaires pour la rendre potable. Le traitement primaire de l'eau est composé des opérations suivantes:
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[modifier] Le dégrillage
Le dégrillage est la première étape d'une filière de traitement, qui consiste à retenir tous les gros déchets tel que les morceaux de bois, les bouteilles en plastiques, les canettes... Pour ce faire, on met en place un système de grilles, dont l'espacement est d'environ 50 mm. Dès que les grilles sont encombrées par les déchets, un racleur (appelé plus simplement râteau) monte le long des grilles et fait tomber ces déchets dans une benne qui une fois pleine va bien évidemment à la décharge.
[modifier] La coagulation
Si la décantation se faisait directement après le prélèvement dans le milieu aquatique, le temps de décantation d'un gravier dans un mètre d'eau serait d'une 1 seconde par la seule influence de son poids, on passerait à 2 minutes pour le sable fin, à 2 heures pour l'argile, à 8 jours pour une bactérie et de 2 à 200 ans pour un colloïde. Ces durées étant bien évidemment beaucoup trop grandes, il a fallu trouver une solution pour accélérer cette décantation. Cette solution est un procédé appelé de coagulation et de floculation.
Les colloïdes sont des molécules de très petites tailles, très légères et chargés négativement. Ces molécules se repoussent donc entre elles. La coagulation consiste à inhiber les forces répulsives de tous les colloïdes en neutralisant leurs charges électriques. Théoriquement, n'importe quel type d'électrolyte c'est-à-dire substance susceptible de se voir décomposée en deux groupes de charges électriques opposées appelées ions en présence dans notre cas d'eau. Par exemple le sulfate de cuivre sous sa forme solide a pour formule CuSO4 et lors de son insertion dans l'eau va se décomposer en Cu2+ + SO42- . Cependant l'efficacité de l'électrolyte appelé coagulant à ce stade augmente considérablement avec l'état d'oxydation du cation de l'électrolyte. C'est pourquoi les sels d'aluminium et de fer ferrique qui renferment des cations de nombre d'oxydation +3 sont presque exclusivement utilisés dans la coagulation des eaux. Les sels d'aluminium et de fer présentent outre leur valence élevée, présentent l'intérêt de s'hydrolyser c'est-à-dire de bien vouloir donner leurs ions dans la gamme de pH habituelle des eaux naturelles, en donnant un hydroxyde insoluble qui précipite.
Les deux coagulants les plus utilisés sont le sulfate d'aluminium de formule Al2(SO4)3 et la chlorure ferrique de formule FeCl3. Le choix d'utilisation varie en fonction du pH de l'eau au départ. En effet le sulfate d'aluminium est utilisé à un pH optimum de 6 tandis que le chlorure de fer est utilisé à un pH optimum de 8. Prenons l'exemple de la coagulation du bicarbonate en utilisant l'aluminium : Aux valeurs habituelles de pH rencontré dans les eaux naturelles la décomposition des bicarbonates (HCO3-) donne HCO3- → CO2 + OH- donc l'équation globale type de coagulation peut donc s'écrire : Al3+ + 3HCO3- → Al(OH)3 + 3CO2 Il y a donc une précipitation d'un hydroxyde métallique Al(OH)3 et une formation de CO2.
Rappelons que CO2 + H2 ↔ H2CO3 (acide carbonique)
La réaction de coagulation fait donc chuter le pH.
[modifier] La floculation
Après avoir subit le traitement de coagulation, l'eau va être transférée dans un autre bassin. C'est dans ce bassin où va commencer véritablement l'accrétion. En effet rien ne s'oppose plus alors au rassemblement des colloïdes neutralisé. Il faut donc maintenir une agitation lente pour favoriser les accrétions. Celle-ci est accélérée par l'ajout d'un polymère c'est-à-dire d'une grande molécule constituée par la répétition d'un motif de base qui emprisonne les matières colloïdales agglomérées et formant ainsi des flocons volumineux qui se déposent par gravité. C'est le floc. Elle est aussi accélérée par une régulation d'un pH optimum pour obtenir la meilleure précipitation possible de l'ensemble des hydroxydes métalliques qui viennent d'apparaître grâce à la réaction de coagulation. On se sert d'hydroxyde de calcium Ca(OH)2 appelé aussi du lait de chaux ou chaux éteinte et d'acide sulfurique H2SO4 pour réguler ce pH optimum qui se situe entre 8.45 et 8.9.
[modifier] La décantation
Après avoir rassemblé les différentes petites particules en de beaucoup plus grosse, il va maintenant falloir faire décanter tout ceci. Dans un corps d'eau immobile les particules en suspension plus lourdes que l'eau sont soumises à leur poids apparent (poids réel moins poussée d'Archimède). Elles chutent lentement pour s'accumuler sur le fond : c'est la décantation. Leur vitesse de chute obéit à la loi de Stokes :
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Une suspension se compose :
Ces particules sont donc soumises à une force résultante Fr, résultant
avec V le volume d'une particule: Fr = V(r2-r1)*g. De par cette force, les particules se mettent en mouvement (elles subissent une accélération). À mesure que la vitesse augmente, une nouvelle force appelée « traînée » et notée Ff apparaît. Elle s'oppose au mouvement. Lorsque Fr+Ff = 0, la vitesse se stabilise : c'est la vitesse de sédimentation Vs. La loi de Stokes donne cette vitesse Vs et soit :
Le terme : 2 /9 . [( r1 - r2 ). g ] / µ est constant: c'est la constante de Stokes notée C. La formule peut donc plus simplement s'écrire v = C . D² La loi de Stokes est valide pour des particules sphériques dont la taille n'excède pas 0,1 mm. En première approximation, elle est appliquée à toute particule sédimentaire de petite taille (sable fin, limon, argile). |
Une des techniques les plus simple concernant la décantation est la décantation statique par exemple avec un décanteur vertical. L'alimentation se fait par le bas, les particules sédimentent et peuvent être récupérées au fond du cône, tandis que l'eau traitée est évacuée par le haut, par débordement. La vitesse de sédimentation est malheureusement généralement faible. Il faut donc faire appel à la décantation dynamique grâce à laquelle on peut agir sur la trajectoire pour séparer en continu des particules de taille et de masse volumique différentes. Ce type de décanteur est aussi appelé décanteur à lamelles. Il améliore considérablement la vitesse de décantation. Les décanteurs actuellement utilisés sont dans de petites installations des décanteurs horizontaux à lamelles mais pour de très grosses installations, on lui préférera des décanteurs fonctionnant grâce à ce principe mais avec un fonctionnement encore un peu plus optimisé. Après cette étape très importante de la décantation, il reste encore à éliminer les particules plus petites encore grâce à une filtration.
[modifier] La filtration
Les premiers principes de filtrations avaient été inspirés par le filtrage naturel de l'eau par les différentes couches de la Terre que traversait l'eau avant d'atteindre des « réservoirs souterrains ». Malheureusement ce procédé était beaucoup trop lent pour de grosse quantité d'eau à traiter. Il faut quand même noter que ce procédé est par contre excellent au niveau de la qualité de l'eau filtrée.
On utilise maintenant des batteries de filtres en fonctions du traitement qu'a subit l'eau avant d'arriver à ce stade. Pour une station de traitement d'eau classique, les divers traitements ont étés : mélange rapide avec un coagulant, floculation, décantation, filtration.
La filtration nécessaire après tous ces traitements est un filtrage rapide appelé filtration conventionnelle mono ou bi-couche. Les matériaux de filtration rencontrés dans le traitement des eaux de consommation sont nombreux. Ils doivent présenter les qualités suivantes : ils doivent être insolubles, non friables, et ne doivent relarguer aucune substance susceptible d'altérer les qualités de l'eau.
Les trois matériaux les plus employés sont :
- Le sable : Le sable utilisé en filtration est un matériau naturel, à base de silice, provenant de rivières, de gisements naturels, de dunes ou obtenu à partir de galets marins. Sa densité réelle est d'environ 2.5. à 2.7.
- Le sable concassé est obtenu par un broyage de silex de carrière ou de galets de mer, suivi d'opérations de lavage, séchage et tamisage. Il présente des grains anguleux, favorables à la rétention des particules lors de la filtration.
- Le sable roulé est un sable naturel, tamisé après lavage et séchage. Contrairement au sable concassé, il possède des grains arrondis, et existe dans des gammes de granulométrie c'est-à-dire de dimension du sable plus restreinte.
- L'anthracite: c'est un matériau à base de carbone, obtenu par calcination de matériel végétal tel que le bois ou la tourbe. Il se présente sous la forme de grains durs et anguleux. Sa densité réelle est de l'ordre de 1,45 à 1,75.
- Le charbon actif est également un matériau à base de carbone, obtenu par calcination et activation de bois, houille, tourbe ou noix de coco.
Pour une filtration classique les matériaux les plus courants sont le sable et l'anthracite. Le sable est employé seul en tant que monocouche ou associé à de l'anthracite dans les filtres bicouches. Les supports de filtration biologique (déferrisation, démanganisation, nitrification, dénitrification) sont le sable et le charbon actif en grains.
