Optimisation des procédés de clarification : Utilisation des polymères cationiques

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1 TECHNOLOGIES DE L EAU - Alimentation en Eau Potable - 00AEP00 Optimisation des procédés de clarification : Utilisation des polymères cationiques Isabelle BAUDIN Angélique FABRE Etude financée par l'agence de l'eau Seine Normandie Octobre 2006

2 RESUME L objectif global de cette étude est d apporter une solution pour optimiser et fiabiliser les procédés de clarification déjà existants. En effet, suite à la dernière réglementation sur l eau potable les traiteurs d eau sont tenus de produire une eau potable de turbidité inférieure à 0.5 NFU 100% du temps (décret France 2001). Les traitements actuels, à base de coagulants minéraux, sont capables de tenir de tels objectifs. Toutefois, en période d eau de qualité dégradée, les taux de réactif à utiliser sont très importants et génèrent d autres désagréments : forte production de boue, ions métalliques résiduels, modification du ph. L utilisation de coagulants organiques de synthèse (aussi appelés polymères cationiques) est une des voies potentielles et prometteuses pour améliorer l efficacité et la fiabilité des procédés de clarification. En effet, ces polymères peuvent être mis en œuvre au niveau des procédés de coagulation, floculation et filtration actuels, en alternative partielle aux réactifs minéraux conventionnels. Leurs performances dépendent peu du ph et de la température. Efficaces à faible concentration, ces réactifs permettent de réduire la teneur en métal résiduel dans l eau traitée et le volume de boues produites. Le CIRSEE mène depuis 2001 un projet de Recherche et Développement financé à 50% par l AESN sur le thème des coagulants organiques. L enjeu de ce projet était de mettre en évidence les intérêts et limites, techniques et économiques, de ces réactifs au travers d essais en laboratoire et sur pilote, entre 2001 et Puis, après agrément de ces réactifs pour le traitement de l eau potable en France en 2004, les études ont été axées sur la mise en œuvre de ces polymères à échelle industrielle. CONCLUSION Les polymères cationiques peuvent être utilisés en alternative aux coagulants minéraux pour renforcer la fiabilité des procédés de clarification. Leurs applications sont les suivantes : en coagulation/décantation/filtration où ils permettent de fiabiliser les étapes de clarification, d allonger les cycles de filtration et de diminuer le volume de boue produite ; en coagulation sur filtre, leur effet bénéfique se traduisant par une augmentation des temps des cycles de filtration ainsi qu un diminution du volume de boue produite ; en post-coagulation, ils permettent alors d augmenter les temps des cycles de filtration par formation d un colmatage progressif et en profondeur des filtres. Les risques majeurs liés à l utilisation des polymères sont la formation de sous-produits de désinfection reconnus cancérigènes de type nitrosamine (NDMA) et la dégradation de la qualité de la décantation en cas de surdosage estimé pour un taux de traitement supérieur ou égal à 1.5 fois le taux préconisé. Ces deux inconvénients imposent, lors de l emploi de polymères, un suivi renforcé du taux de traitement et une réactivité rapide sur les sites d exploitation. Par principe de précaution, un suivi périodique de la formation potentielle de NDMA en eau traitée, après chloration, est conseillé bien que ce paramètre ne soit pas soumis, pour le moment, à réglementation. La formation de sous-produits associée à ces réactifs n'était pas l'objectif principal de cette étude. Cependant, les résultats obtenus poussent à étudier plus en détail ce risque sur les aspects analytiques et formation associée à la désinfection. MOTS CLES Coagulant, polymère cationique, polymère organique, poly électrolyte, MON, coagulation, PolyDADMAC, EpiDMA, clarification. 2

3 SOMMAIRE Liste des abréviations... 8 Partie 1 : Résumé du projet ENJEUX METHODOLOGIE SYNTHESE DES ETUDES MENEES PAR LE CIRSEE DE 2001 A MARCHE DESCRIPTION DES REACTIFS/ RAPPELS Les polymères cationiques Polymères coagulants AVANTAGES ET LIMITES D UTILISATION DES COAGULANTS ORGANIQUES POUR LE TRAITEMENT DE L EAU POTABLE EXEMPLES D APPLICATION DETERMINATION DES TAUX DE TRAITEMENT EN POLYMERE Paramètres influents de taux de traitement en coagulant Règle Expression du taux de remplacement et du taux de substitution INFORMATIONS REGLEMENTAIRES Réglementation européenne Réglementation française Réglementation britannique PolyDADMAC EpiDMA Polyacrylamide Réglementation USA/ NSF DONNEES FOURNISSEURS CONCLUSIONS DOCUMENTS DISPONIBLES ET REFERENCES...31 Partie 2 : Synthèse essais INTRODUCTION CONTEXTE DU PROJET / RAPPELS LES POLYMERES ORGANIQUES DE SYNTHESE : APPROCHE BIBLIOGRAPHIQUE Mécanismes de neutralisation Impact des polymères sur la structure des flocs [16] Les performances d élimination sur les substances humiques Avantages, inconvénients et risques

4 4. PRESENTATION DE L USINE RESULTATS ESSAIS EN CLARIFICATION PAR COAGULATION ET DECANTATION Objectifs des essais Les réactifs Caractéristiques des coagulants Expression des taux de remplacement et de substitution Déroulement des essais : février - mars Résultats essais en laboratoire Détermination des taux de traitement optimaux Analyse économique Consignes de traitement Résultats essais sur site de Morsang-sur-Seine (semaine 12) Déroulement des essais Analyse des résultats Problèmes rencontrés lors des essais sur site Conclusion RESULTATS ESSAIS EN POST-COAGULATION Objectifs des essais Déroulement des essais avril-mai Résultats essais en laboratoire Détermination du taux de traitement optimal Traitement au Sulfate d aluminium seul Traitement : 70% SA + taux de polymère variable Traitement polymère organique seul Analyse économique Conclusion des essais laboratoire Résultats essais sur site Déroulement des essais Suivi des paramètres de qualité de l eau Influence sur la turbidité Influence sur l absorbance UV Suivi bactériologique Suivi des algues Evaluation de la potentialité de formation de sousproduit de désinfection THM (Trihalométhane) et NDMA (N- Nitroso-diméthyl-amine) Suivi des paramètres de fonctionnement de l usine Impact des polymères sur le colmatage des filtres Impact des polymères sur la durée des cycles de filtration Conclusion BILAN ECONOMIQUE SUR UNE ANNEE Hypothèses de calcul Influence sur le poste : boue Coût global sur les réactifs Investissement Conclusion CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE

5 ANNEXES ANNEXE I : Schéma de l usine de Morsang-sur-Seine ANNEXE II : Fiches produit des polymères ANNEXE III : Paramètres Jart-test ANNEXE IV : Essais laboratoire / Résultats Jart-test en coagulation ANNEXE V : Analyse économique de l utilisation des polymères en coagulation ANNEXE VI : Bilan qualité eau et boue avant ajout de polymère ANNEXE VII : Suivi des paramètres de fonctionnement de l usine pendant la période des essais en coagulation ANNEXE VIII : Protocole coagulation sur filtre ANNEXE IX : Essais laboratoire / Résultats post-coagulation sur filtre ANNEXE X : Analyse économique de l utilisation des polymères ANNEXE XI : Analyses NDMA et sous-produits de la même famille ANNEXE XII : Perte de charge des filtres avant et après lavages ANNEXE XIII : Extrapolation de la montée en charge des filtres à sable ANNEXE XIV : Analyse économique du poste boue ANNEXE XV : Analyse économique du poste réactif ANNEXE XVI : Devis SNF Floerger

6 TABLE DES ILLUSTRATIONS Tableaux Tableau 1. Récapitulatif des essais sur site menés par le CIRSEE...22 Tableau 2. Taux de traitement pour l usine de Morsang sur Seine...23 Tableau 3. Récapitulatif des gammes de polymère en fonction du fournisseur...29 Tableau 4. Taux de traitement indicatifs...30 Tableau 5. Traitement préconisé en fonction du type d eau...38 Tableau 6. Taux de traitement pour la clarification d eaux de surface et souterraines reconstituées...39 Tableau 7. Caractéristiques des trois tranches de la station...42 Tableau 8. Table de correspondance des taux de substitution...44 Tableau 9. Suivi des paramètres de qualité d eau et de fonctionnement du procédé de clarification durant les essais sur la tranche 1 et Tableau 10. Types d eau en fonction de la turbidité et de l absorbance UV...45 Tableau 11. Résultats jar-test sur différents types d eau...48 Tableau 12. Taux de traitement en réactif et coût des réactifs...49 Tableau 13. Evaluation du gain économique, (coût par semaine pour traitée de 2000m3/h d eau)...49 Tableau 14. Taux de traitement préconisé en fonction du type d eau...50 Tableau 15. Suivi de paramètres de qualité d'eau et de fonctionnement du procédé de clarification durant les essais sur la tranche Tableau 16. Suivi des paramètres de qualité de l'eau en fonction du taux de polymère (traitement polymère seul)...57 Tableau 17. Suivi des paramètres de qualité de l'eau en fonction du taux en polymère organique...58 Tableau 18. Données produits et fonctionnement usine...58 Tableau 19. Taux de traitement appliqués sur l'usine de Morsang-Sur-Seine...59 Tableau 20. Planning des essais...60 Tableau 21. Analyse de la turbidité en sortie des filtres sable...62 Tableau 22. Evolution de l'abattement en algues le long de la filière...65 Tableau 23. Suivi de sous-produit de chloration de la famille des NDMA...66 Tableau 24. Extrapolation des temps de filtration pour atteindre 2mce en perte de charge dans les filtres...68 Tableau 25. Bilan des résultats...69 Tableau 26. Prix des réactifs...72 Tableau 27. Coût du poste boue en fonction des différents traitement envisageable...73 Tableau 28. Analyse économique globale en /an...75 Figures Figure 1 : Microflocs...14 Figure 2 : Schéma des liaisons inter-particulaires entre polymère et particules...15 Figure 3 : Effet d un surdosage sur les particules...15 Figure 4 : Distribution des Masses Moléculaires pour EpiDMA...16 Figure 5 : Distribution des Masses Moléculaires pour le PolyDADMAC...18 Figure 6 : Schéma de principe des paramètres influençant le taux de traitement en coagulant...24 Figure 7 : Evolution de l'absorbance en fonction du taux de charbon actif pour une eau brute de qualité moyenne dont l absorbance est 7.4m Figure 8 : Evolution de l'absorbance en fonction du taux de charbon actif pour une eau brute de qualité dégradée dont l absorbance est 11.71m Figure 9 : Evolution de la turbidité en fonction du taux de charbon actif pour une eau brute de qualité dégradée

7 Figure 10 : Courbes Topkapi suivi de l'uv de l'eau filtrée tranche 2 et de la turbidité de l'eau décantée tranche Figure 11 : Evolution des paramètres de qualité de l'eau en fonction du taux de traitement en SA...55 Figure 12 : Suivi de la turbidité de l'eau filtrée en fonction du taux de traitement en SA et polymère organique...56 Figure 13 : Suivi de la turbidité de l'eau filtrée en fonction du taux de traitement en polymère organique...57 Figure 14: Comparaison des coût de traitement en fonction du taux de matière active en polymère organique...59 Figure 15 : Zoom sur un cycle de filtration avec et sans polymère...61 Figure 16 : Evolution de la turbidité avec et sans polymère...61 Figure 17 : Suivi de l'absorbance UV en fonction du taux de traitement...63 Figure 18 : Suivi bactériologique...64 Figure 19 : Suivi des pertes de charge des filtres côté impair avec PolyDADMAC...67 Figure 20 : Suivi des pertes de charge des filtres côté impair avec EpiDMA...68 Figure 21 : Comparaison de l impact sur la production de boue des traitement avec et sans polymère cationiques...73 Figure 22 : Comparaison traitement avec et sans polymère cationique avec post-coagulation au SA...74 Figure 23 : Comparaison traitement avec et sans polymère cationique avec post-coagulation au polymère cationique...74 Figure 24 : Analyse économique globale

8 Liste des abréviations AESN CAG CAP CIRSEE COT DGS EB ED EF EO EPA EpiDMA FI LDEF m a m.c.e MO MON (ou NOM) NDMA PolyDADMAC SA SASR TAC TE THM TSM Agence de l Eau Seine-Normandie Charbon Actif Grain Charbon Actif Poudre Centre de Recherche Sur l Eau et l Environnement Carbone Organique Total Direction Générale de la Santé Eau Brute Eau Décantée Eau Filtrée Eau Ozonée Environmental Protection Agency Copolymère épichlorohydrine et diméthylamine Indice de floculation Lyonnaise des Eaux France Matière Active Mètre de colonne d eau (unité de perte de charge) Matière Organique Matière Organique Naturelle (ou Natural Organic Matter) N-Nitroso-Diméthyl-Amine Poly(chlorure de diallydiméthylammonium) Sulfate d aluminium Spores de germes sulfito-réducteurs Titre Alcalimétrique Taille Effective TriHaloMéthane Technical Support Managers 8

9 Partie 1 : Résumé du projet 9

10 1. Enjeux La filtration et ses traitements en amont, coagulation, décantation, sont les procédés les plus couramment appliqués en traitement conventionnel pour l élimination des particules en général et des micro-organismes en particulier. La turbidité est actuellement le meilleur indicateur d efficacité de ces étapes. Le contexte réglementaire et contractuel vis-à-vis de l eau potable impose aux traiteurs d eau de garantir une turbidité inférieure à 0,5 NFU, 100% du temps et inférieure à 0.3 NFU, 95% du temps. Ces objectifs de turbidité peuvent-être garantis sur la plupart des filières de traitement optimisées au niveau de la clarification et de la filtration en second étage. Cependant, la turbidité ne représente pas l unique paramètre à maîtriser ou à optimiser au niveau de la clarification. Depuis quelques années, une attention toute particulière est portée sur l élimination des matières organiques naturelles (MON) ainsi que sur celle des Bactéries Anaérobies Sulfito-Réductrices (BASR). Les MON présentes dans l eau brute sont sources de nombreux désagréments : couleur, goût ou encore odeur. Elles sont également impliquées dans la formation de sousproduits de désinfection principalement lors de la chloration. Enfin, elles interfèrent l oxydation du fer et du manganèse dissous, aggravant la corrosion et la détérioration de la qualité de l eau dans le réseau de distribution. L élimination des MON est donc essentielle pour minimiser les risques sanitaires et la dégradation du réseau de distribution. Les BASR (ou clostridium) sont des bactéries d origine fécale ou environnementale. Leur forme sporulée leur confère une résistance accrue au désinfectant de type chlore. Ces bactéries ne sont pas dangereuses en elle-même ; leur présence dans l eau traitée est signe d un disfonctionnement des étapes de clarification. Une référence de qualité a été mise en place dans le décret 2001 en France : 0 BASR et spore dans 100 ml d eau filtrée. L élimination de la turbidité par clarification avancée nécessite l ajout de fortes doses de coagulant minéraux et un ph de coagulation acide pouvant conduire à des concentrations excessives de métal résiduel en sortie de traitement, ainsi qu à une forte production de boues. Concernant l élimination des MON, elle peut-être réalisée, en parallèle de la clarification, par ajout de Charbon Actif Poudre (CAP). Cette étape peut-être coûteuse du fait des prix élevés des CAP. L optimisation des taux de traitement en réactifs (coagulant, acide, CAP ) est donc un enjeu technique et économique important pour les traiteurs d eau. L utilisation de coagulants organiques de synthèse (aussi appelés polymères cationiques) est une des voies potentielles et prometteuses pour améliorer l efficacité et la fiabilité des procédés de clarification. En effet, ces polymères peuvent être mis en œuvre au niveau des procédés de coagulation, floculation et filtration actuels, en alternative partielle aux réactifs minéraux conventionnels. Leurs performances dépendent peu du ph et de la température. Efficaces à faible concentration, ces réactifs permettent de réduire la teneur en métal résiduel dans l eau traitée et le volume de boues produites. 10

11 2. Méthodologie Des essais ont été mené de 2001 à 2003 au niveau laboratoire et pilote, les réactifs coagulants organiques n étant pas encore agréés pour l eau potable en France, les essais sur site n étaient pas envisageable. De 2004 à 2006, après agrément pour l eau potable par la DGS des réactifs produits par SNF-Floerger, des essais ont été menés sur des sites industriels. Les coagulants organiques ont été comparés aux coagulants minéraux conventionnellement utilisés en traitement d eau potable ; la comparaison a été faite sur des critères techniques (élimination de la turbidité, des matières organique, impact sur les procédés de décantation, filtration) et économique (comparaison des coûts de traitement en réactif et pour l ensemble de la clarification). 3. Synthèse des études menées par le CIRSEE de 2001 à 2006 Le CIRSEE mène depuis 2001 un projet de Recherche et Développement financé à 50% par l AESN sur le thème des coagulants organiques. L enjeu de ce projet était de mettre en évidence les intérêts et limites, techniques et économiques, de ces réactifs au travers d essais en laboratoire, sur pilote et à échelle industrielle. L'étude réalisée en 2001 (en laboratoire et sur pilote) a permis de montrer l'intérêt de l'utilisation des polymères cationiques (type polydadmac et EPIDMA) pour le traitement en coagulation sur filtre d'eaux d'origine karstiques, sujettes à de grandes variations de turbidité. Ces coagulants organiques appliqués en substitution d'une partie (30%) du sel métallique utilisé normalement, aluminium ou fer, garantissent l'obtention d'une turbidité d'eau filtrée inférieure à 0.2 NFU, 99 % du temps. D'autre part les cycles de filtration sont allongés (jusqu'à 180 %, comparé à l'utilisation du chlorure ferrique seul), ce qui entraîne une diminution des pertes en eau de lavage de 64 %. Un bilan économique a montré également que l'application combinée de coagulant organique (polymère cationique) et de coagulant minéral classique (sel métallique) permet de réduire les coûts en réactifs de l'ordre de 12%. L étude réalisée en 2002 a permis de comparer les réactifs de synthèse PolyDADMAC et EPIDMA à des réactifs naturels (protéines modifiées fournies par NALCO). Tous les réactifs testés sont d efficacité proche en terme d élimination des particules et des matières organiques. Le degré de cationicité peut permettre d améliorer l élimination des matières organiques dans certaines applications. Les taux optimum de remplacement de sels de fer et de substitution ont été confirmés : 30% de remplacement du coagulant minéral par du polymère dosé à 1/10. L étude réalisée en 2003 avait pour objectif de quantifier le risque potentiel, cité dans la littérature, de formation d un sous-produit cancérigène (NDMA), sur eau traitée après ajout de polymère cationique et chloration. Les conditions testées en laboratoire ont été représentatives d une mise en œuvre à échelle industrielle des polymères polydadmac et EPIDMA en combinaison avec des coagulants minéraux pour un traitement de coagulation d eau de surface. Aucune des conditions testées (variations des paramètres : 11

12 nature des réactifs, taux de traitement en polymère coagulant, chlore, temps de contact, ph, présence de nitrite, etc.) n a mené à la formation de NDMA en concentration supérieure au seuil de détection analytique (15 ng/l). L étude réalisée en 2004 a permis de tester au niveau industriel sur une usine de coagulation sur filtre (site de Maromme, usine de traitement d'eau souterraine influencée) ces réactifs polydadmac et EPIDMA, agréés en France pour l eau potable en mars L objectif des essais sur le site de Maromme était de démontrer l intérêt d un mélange Sels de fer/polymère cationique sur le renforcement de l efficacité et de la fiabilité du procédé de coagulation sur filtre, spécialement en période d alimentation de l usine par une ressource de qualité dégradée. L étude réalisée en 2005 a permis de tester au niveau industriel sur une usine de coagulation/décantation/filtration (site de Morsang-sur-Seine, usine de traitement d eau de surface) ces réactifs PolyDADMAC et EPIDMA, en période chaude (été 2005) sur une ressource de bonne qualité. Ces essais sur le site de Morsang n ont pas démontré de fort intérêt technique ni économique du mélange Sels d Aluminium / Polymère cationique sur la fiabilité du procédé de clarification comparé au traitement avec sel d Aluminium seul en période estivale et ressource de bonne qualité. D après les résultats des essais menés en laboratoire le traitement par le mélange Sels d Aluminium / Polymère cationique semble cependant intéressant au niveau technique et économique pour traiter la ressource en période froide avec plus forte teneur en matières organiques (intérêt des polymères cationique sur la diminution du taux de CAP, du taux d acide ) L étude réalisée en 2006 en coagulation/décantation/filtration menée en laboratoire et sur le site de Morsang sur Seine, a confirmé les résultats de l étude de 2005, à savoir que l ajout de polymère est techniquement et économiquement intéressant pour des eaux dégradées en période froide. Après simulation sur une année, il ressort que l emploi de ces polymères cationiques permet de diminuer les coûts de réactifs sur l usine de Morsang de 14% avec ajout de PolyDADMAC et de 12 % avec EpiDMA. Le PolyDADMAC est donc économiquement plus attractif. En post-coagulation la substitution totale du SA par des polymères permet un colmatage progressif des filtres en lien avec une bonne rétention de la matière au sein du milieu poreux. Toutefois, d un point de vu économique et qualitatif leur utilisation est peu intéressante. Leur emploi semble donc limité à des actions ponctuelles c est à dire durant des périodes d eau dégradée ou sur des usines présentant des problèmes spécifiques comme des non conformités en aluminium dissous. En parallèle de ces actions, le CIRSEE a mené, dans le cadre de missions d Assistance Technique, des études ou collecte de données sur ces réactifs mis en œuvre sur des sites de production à l international : Rosario (Argentine), Haworth (USA), Palyja (Malaisie), Pian Dei Ponti (Italie), Sydney (Farnce), ainsi qu en France (Gamarde, Egleton). Le retour d expérience des essais menés sur ces sites permet de mieux appréhender à long terme l effet de ces polymères sur la filière de traitement. 12

13 4. Marché Les polymères cationiques sont agréés et utilisés en GB, USA, Australie depuis 20 ans. En France, ces polymères ont reçu un agrément de la DGS pour le traitement de l eau potable en Le marché concerné par l application en clarification d eau potable de ces réactifs est potentiellement le suivant : tout site mettant en œuvre des coagulants minéraux en coagulation sur filtre, en coagulation/décantation/filtres et en post-coagulation. les sites préférentiellement concernés sont : des sites mettant en œuvre une coagulation sur filtre, des sites connaissant des événements qualité hors norme en turbidité, aluminium, problème de ph, de corrosion ; les sites avec problème de gestion des rejets. Position de la concurrence : La SAGEP met en œuvre depuis 2 ans un mélange PolyDADMAC/FeCl3 sur l usine d Orly en alternative au FeCl 3. L objectif de la SAGEP est, par l utilisation de ces réactifs, de renforcer la fiabilité de la clarification avec l objectif sur l eau filtrée 1 er étage, 0 BASR 100% du temps. La mise en œuvre de PolyDADMAC, permet d atteindre cet objectif avec un surcot par rapport au traitement par FeCl 3 seul. VEOLIA ne communique pas aujourd hui sur les tests éventuels en applications industrielles de ces réactifs sur ces sites. Intérêts techniques majeurs : Les avantages des coagulants organiques comparés aux coagulants minéraux sont : moins de réactifs, moins de boues, moins de sels résiduels, meilleure élimination conjointe des particules et de la MO, léger effet floculant, faible impact du ph et de la température. Estimation économique : L intérêt potentiel de ces réactifs, d après la littérature, le retour d expériences et les coûts actuels des réactifs en France, correspond a une réduction de : 10% des coûts de fonctionnement des procédés de clarification si on ne considère que les gains en réactif ; 15% des coûts de fonctionnement des procédés de clarification si on prend en compte les réactifs ainsi que la réduction du volume de boues à traiter et des pertes en eau de lavage. 13

14 5. Description des réactifs/ rappels 5.1 LES POLYMERES CATIONIQUES Influence sur la coagulation Dans le cas des coagulants organiques, polymères organiques de synthèse de faible masse moléculaire, la neutralisation des charges ne se fait pas suivant un rapport stœchiométrique. Les coagulants organiques fonctionnent suivant un mécanisme de déstabilisation pour les particules solides minérales. Toutefois, concernant l élimination des matières organiques, des mécanismes d agrégations, sont à prendre en compte. Ces derniers se traduisent par des adsorptions du polymère sur les colloïdes ( formation de zone cationiques à la surface des particules) réduisant ainsi leur potentiel de surface et leur protection. Possédant à la fois des charges positives et négatives à leur surface, les particules sont alors attirées les unes aux autres et se lient par des forces de Van Der Waal s : formation de micro-flocs (Figure 1). Figure 1 : Microflocs La neutralisation des particules par les coagulant organiques conduit généralement à un degré d agrégation plus important que les coagulant minéraux. Coagulant organique : L interaction entre les charges négatives des colloïdes et les charges positives des polymères cationiques ne se fait pas suivant une loi stœchiométrique simple. Les polymères cationiques de faible poids moléculaire PCBPM (Polymère Cationique Bas Poids Moléculaire, 10 4 à 10 6 ) et forte densité de charge sont préconisés en coagulation. Influence sur la floculation Pour initier les flocs et former des liaisons inter-particules, une même chaîne de polymère s adsorbe simultanément sur deux particules différentes (Figure 2). Ce phénomène dépend fortement de la concentration et du type de polymère ainsi que de la concentration et de la taille des particules. Ainsi, pour un diamètre de particules donné correspond un polymère. En général, la concentration optimale en polymère à mettre en œuvre doit permettre de laisser au moins la moitié des site libres sur les particules. En cas d excès de polymère, les particules sont totalement isolées de la solution par le polymère comme indiqué sur la Figure 3. La solution colloïdale redevient stable, il n y a plus de coagulation/floculation. 14

15 Figure 2 : Schéma des liaisons interparticulaires entre polymère et particules Figure 3 : Effet d un surdosage sur les particules La croissance des flocs dépend, par la suite, de l agitation de la solution et des phénomènes de collision et d absorption entre les particules. Les polymères anioniques, non-ioniques et cationiques peuvent être utilisés pour former ces liaisons internes par adsorption. Floculant organique : Les polymères de haut poids moléculaire PAHPM (Polymères Anioniques Haut Poids Moléculaire, 10 6 à ) sont employés en tant qu adjuvant de floculation. Ils permettent d initier les flocs et contribuent également à leur croissance. En floculation, les polymères agréés pour l eau potable sont non-ioniques, ou anioniques, afin de neutraliser les charges des coagulants résiduels. Les polymères cationiques haut poids Moléculaires PCHPM (10 6 à > ) peuvent également être utilisés, mais ne sont pas actuellement agréés pour l eau potable en France. 5.2 POLYMERES COAGULANTS Les polymères organiques cationiques de synthèse, utilisés en coagulation, sont des polymères de faible masse molaire : 10 4 et 10 6 g/mol. Actuellement, trois principales familles sont rencontrées pour le traitement de l eau potable : Mélaminéformaldéhyde Peu rencontrée. Non agréé pour l eau potable en France. Epichlorhydrine diméthylamine : EpiDMA 15

16 La réaction de polycondensation de l épichloridrine et d une amine primaire ou secondaire (habituellement de la diméthylamine) conduit à la formation de polymères de masse moléculaire moyenne, dans lesquels tous les atomes d azote sont quaternaires. Ces polymères ont les caractéristiques suivantes : masse moléculaire comprise entre et liquide avec 40 à 50% de matière active site cationique sur la chaîne principale de polymère viscosité à 50% de matière active comprise entre 40 et cpo chimiquement stable en présence de chlore compatible avec des coagulants minéraux temps de coagulation long, de l ordre de 10 à 15 min obtention de gros flocs, peu résistant au cisaillement mais dont la détérioration est entièrement réversible déshydratation des boues importante stable dans le temps (conservation 24 mois) utilisable avec ou sans pré-dilution peu affectés par le ph Les polyamines peuvent être utilisées en substitution totale ou partielle des coagulants minéraux (Sulfate d aluminium, polychlorure d aluminium, chlorure ferrique ). Ces polymères sont agréés pour le traitement de l eau potable en France, aux USA, en Amérique de Sud, en Grande-Bretagne, en Russie et en Corée. Les polyamines sont également utilisées dans l industrie papetière, pour le traitement des boues industrielles ou encore pour la fabrication de latex Figure 4 : Distribution des Masses Moléculaires pour EpiDMA Enfin, comme le montre la Figure 4, les EpiDMA ont une distribution des masses moléculaires large. Par conséquent, ces polymères dit «flexibles» sont adaptés pour de large gamme de particules de petites tailles, de colloïdes et de MON. Il sont préconisés pour le traitement d eau souterraine influencée. Poly(chlorure de diallyldiméthyl-ammonium) : PolyDADMAC 16

17 Le monomère DADMAC est obtenu par réaction entre un chlorure d allyle et une diméthylamine. Cette réaction de polymérisation est limitée par la réactivité du chlorure d allyle et conduit à la formation d un monomère de masse moléculaire faible à moyenne. Par cyclo-polymérisation du monomère DADMAC, deux structures de PolyDADMAC sont obtenues : Les PolyDADMAC ont les caractéristiques suivantes : masse moléculaire de à liquide ou sous forme de billes pour des concentrations comprises entre 20 et 100% de matière active sites cationiques sur les ramifications de la chaîne principale viscosité de la forme liquide du polymère à 40% : comprise entre et cpo chimiquement stable en présence de chlore compatible avec des coagulants minéraux stable dans le temps (conservation 24 mois) utilisable avec ou sans pré-dilution temps de coagulation long, de l ordre de 10 à 15 min obtention de gros flocs, peu résistant au cisaillement mais dont la détérioration est entièrement réversible déshydratation des boues importante peu influencés par le ph Les principales utilisations des PolyDADMAC sont les suivantes : coagulant pour le traitement de l eau potable agréé en France, aux USA, en Amérique de Sud, en Grande-Bretagne, en Russie, en Corée et en Chine coagulant pour le traitement des ERU agent de conditionnement en cosmétique agent de neutralisation pour les substances colloïdales anioniques dangereuses agent dans l industrie papetière. 17

18 Figure 5 : Distribution des Masses Moléculaires pour le PolyDADMAC Les PolyDADMAC ont une distribution plus serrée que l EpiDMA (Figure 5). Ils sont plus adaptés pour traiter des eaux turbides ou chargée en algues (eau de surface). Ils représentent 80% du tonnage mis en œuvre industriellement dans le monde (USA, UK..). Concernant le traitement des eaux résiduaires, d autres polymères sont envisagées tel que : polyamines polyméthacrylates polyéthylènimines. EpiDMA préconisé pour le traitement d eau peu turbides. PolyDADMAC préconisé pour le traitement des eaux turbide et/ou chargées en algues. D après certaines études le PolyDADMAC est également plus efficace que l EpiDMA pour l élimination des MON. Les polymères cationiques mis en jeu en coagulation sont chimiquement différents des polymères cationiques utilisés en floculation. Les polymères cationiques coagulants de faible masse moléculaire (<10 6 )ont un léger effet floculant intéressant pour la coagulant sur filtre. Ils ne peuvent, cependant, pas être utilisés pour substituer totalement les polymères floculants (en décantation par exemple). 18

19 6. Avantages et limites d utilisation des coagulants organiques pour le traitement de l eau potable Les avantages des coagulants organiques cationiques par rapport aux réactifs conventionnels de coagulation/floculation comme les sels de fer ou d aluminium sont les suivants : Sur le plan technique : Dosage en faible concentration. Efficacité sur une large gamme de ph contrairement aux sels minéraux classiques dont l efficacité est fortement dépendante du ph. Faible modification du ph de l eau coagulée. Ainsi les corrections de ph et d alcalinité sont réduites, voir supprimées réduisant les coûts de réactifs et de stockage. Avantage pour certaines eaux sur l élimination des matières organiques dissoutes. Maîtrise de l encrassement des filtres avec accroissement des cycles de filtration et diminution des pertes en eau par lavages. Sur le plan réglementaire : Alcalinité de l eau stable. Opportunité pour fiabiliser un procédé de coagulation sur filtre en assurant une turbidité des eaux filtrées < 0.3 NFU 95% du temps et < 0.5 NFU 100% du temps. Elimination des micro-organismes et algues mono-cellulaires. Les polymères sont en général moins corrosifs que les coagulants minéraux ; ce qui signifie moins de problèmes de maintenance. Un produit est classé corrosif par rapport à un métal lorsqu il dépasse le seuil de 6,25 mm/an, or les polymères organiques ne dépassent pas les 4 mm/an tandis que les sels classiques dépassent les 10 mm/an. Pas d ajout (via le polymère) d ions dissous de type Al, Fe à l eau traitée : Limitation du risque de teneur élevée en aluminium, protection de l environnement (norme européenne : 0,2 mg/l Al résiduel). Réduction du volume de boues produites (de 10 à 20 %) grâce à la réduction de formation d hydroxydes et boues plus facilement déshydratables. Avantages Elimination des matières organiques et des matières en suspension favorisée Diminution du volume de boue Diminution de la teneur en ions métalliques dissous en sortie de filière de traitement. Formation potentielle de THM Les THM (Trihalométhanes totaux), bromoforme, dichlorobromométhane, chloroforme et dibromochlorométhane, sont des composés organo-halogénés obtenus par réaction entre le chlore, la MON et les bromures. Leur présence en sortie de filière n est donc pas directement liée à l utilisation des polymères mais plutôt aux performances de l étape de clarification. L emploi de polymères cationiques semble conduire à la formation d une quantité plus faible de THM que l utilisation de SA seul car ils permettent une élimination de la MON en amont de la chloration supérieure à celle du SA. 19

20 Les limitations d usage de ces réactifs sont : Sur le plan technique : Une confusion dans les applications entre polymères floculants et polymères coagulants La nécessité d un appareillage de dosage adapté aux produits de forte viscosité Une faible volonté de changer un traitement conventionnel, bien maîtrisé, à base de sels métalliques Problème potentiel de mise en œuvre : impact sur la gestion du décanteur mal connu Une bonne connaissance des mécanismes des réactions de coagulation est nécessaire afin d optimiser le choix du polymère car les polymères peuvent réagir lors de la chloration, l ozonation et la désinfection par UV. Les polymères peuvent interférer l action d absorbants solides de type charbon actif en poudre ou résines échangeuses d ion. Sur le plan réglementaire : Risque dans le surdosage de ces réactifs : dégradation des eaux décantées Formation de sous produits possible ; en particulier formation de NDMA. Applications/Marché : Le non agrément de ces réactifs en eau potable dans certains pays et l agrément récent en France (2004). La compétition avec les polymères naturels Le monopôle du fournisseur SNF Floerger en France Le coût par rapport aux coagulants minéraux pour certaines applications Le coût des polymères lié au prix du pétrole Limites Monopole de la société SNF Floerger sur le vente des polymères cationiques de type PolyDADMAC et EpiDMA sur le territoire français. Risques liés à un surdosage en polymère L excès de coagulants organiques entraîne une détérioration rapide de la qualité de la décantation. En effet, en cas d excès, les polymères isolent totalement les particules et les flocs formés, la solution redevient stable il n y a plus de coagulation ni de floculation. Formation potentielle de sous-produits de désinfection de type NDMA avec l EpiDMA et PolyDADMAC La NDMA (N-Nitroso-diméthyl-amine) est une molécule organique de la famille des nitrosamines, caractérisée par la fonction chimique N-N=O, semi-volatile, très polaire et très soluble dans l eau (N 2OC 2H 3). Une des voies potentielle de formation des NDMA est la substitution nucléophile impliquant une amine telle que la diméthylamine (DMA monomère de l EpiDMA et présence dans le PolyDADMAC) et des nitrites (formant l acide nitreux) comme précurseur. Cette réaction est alors favorisée en milieu oxydant en présence de chlore ou de chloramine. La NDMA a été détectée en France en sortie de filières de traitement, mettant en œuvre des résines à base acrylamide ou encore dans des effluents de STEP aux USA et au Canada. De nombreux articles relatent la formation de NDMA sur des filières mettant en oeuvre des polymères cationiques aminés (groupe aminé facilement coupé au niveau du polymère), ou des résines échangeuses d ions (de type ammonium quaternaire) couplés à une désinfection finale au chlore ou aux chloramines. 20

21 Actuellement, il n y a pas de norme concernant ce polluant. Toutefois, des études de risque d apparition de cancer en lien avec ce polluant ont établi une valeur maximale de 0.7 ng/l dans l eau potable (ref USEPA 1997). Le Canada et l Etat de Californie (USA) ont également établi des seuils de concentration acceptable respectivement de : 9 ng/l et 10 ng/l pour NDEA et NDMA. En France le laboratoire CERBIA IRIS nouvellement appelé GALYS (Groupe Emeraude) assure l analyse de la NDMA et de 7 autres nitrosamines associées (NMEA, NDEA, NDPA, NPIP, NPYR, NMOR, NDMBA). Des traces de NDMA et NMOR (> 10 mg/l) ont été détectées en eau traitée lors des essais à échelle industrielle sur des usines de coagulation sur filtre. 21

22 7. Exemples d application Les principales applications testées sur sites industriels en France, sur la période dans le cadre de ce projet sont portées dans le Tableau 1. Usine Turbidité min/max/moy (NFU) Tableau 1. Récapitulatif des essais sur site menés par le CIRSEE Eau brute Absorbance UV min/max/moy (DO m-1) GAMARDE 1,4 4,7 MAROMME 1 / 25 / 2 Type de filière coagulation sur filtre sable coagulation sur filtre CAG Traitement conventionnel Type de Coag Taux de traitement min/max/ moy (ppm) SA 5 SA 2,5 Coagulation sur filtre bicouche FeCl3 0 / 31 / 7,3 (sable + pierre ponce) Désignation du polymère PolyDADMAC FLB4550 EpiDMA FLB1750 PolyDADMAC FL4540 EpiDMA FL2949 PolyDADMAC FLB4550 EpiDMA FLB1750 PolyDADMAC FL4540 EpiDMA FL2949 PolyDADMAC 4820 Traitement alternatif Polymère mixte Taux de traitement polymère min/max/ Moy (ppm) x 0,5 x 0,1 Taux de traitement minéral min/max/ moy (ppm) 0,125 1,25 0,125 1,25 0,5 / 1,25 5 / 13 EpiDMA ,2 / 0,5 5 / 13 Conclusion Utilisation des polymères mixtes économiquement intéressante Meilleure efficacité des mélanges à base de PolyDADMAC Augmentation des temps des cycles de filtration Risque de formation de NDMA en eau traitée MORSANG SUR SEINE 13 / 156 / 63 4,7 / 11,1 / 8,1 coagualtion / décantation / filtration sable SA 40 / 200 PolyDADMAC FL4440 1,5 / / 140 Intérêt en période de ressource de qualité dégradée Diminution de la production de boue de 14 % avec PolyDADMAC et 11% avec EpiDMA Diminution des coûts de réactif de 12 % avec PolyDADMAC et 11 % avec EpiDMA Dégradation rapide de la qualité de la décantation si excès de polymère EpiDMA FL2550 1,2 / 8 28 / 140 postcoagulation Densadeg SA 6 / 7 PolyDADMAC FL4440 0,1 / 0,3 Allongement des cycles de filtration Colmatage progressif et en profondeur du filtre Coût de traitement avec PolyDADMAC supérieur à celui du SA Coût de traitement avec EpiDMA équivalent à celui du SA EpiDMA FL2550 Les recommandations suivantes portées dans le Tableau 2, pour le traitement d une eau de surface (de type eau de Seine) ont été tirées à partir des résultats des essais réalisés sur le site de Morsang sur Seine sur la période Ces ordres de grandeur sont donnés à titre indicatif, chaque eau nécessitant une étude complète en laboratoire avant utilisation sur site des polymères. 22

23 Tableau 2. Taux de traitement pour l usine de Morsang sur Seine Qualité de l eau «Dégradée» Turbidité > 50 NFU Absorbance UV (254nm)> 10 DOm -1 «Moyenne» Turbidité : NFU Absorbance UV (254nm) 5-10 DOm -1 Traitement conventionnel SA CAP ASP 25 Taux préconisé par le jar-test Taux préconisé par le jar-test Taux préconisé par le jar-test SA 70% du taux de traitement conventionnel PolyDADMAC à 40% de matière active Taux de substitution en solution commerciale de 1/6 Taux de substitution en matière active de 1/15 Taux de substitution en solution commerciale de 1/8 Taux de substitution en matière active de 1/20 Traitements alternatifs EpiDMA à 50% de matière active Taux de substitution en solution commerciale de 2/15 Taux de substitution en matière active de 1/15 Taux de substitution en solution commerciale de 1/10 Taux de substitution en matière active de 1/20 CAP 50% du taux de traitement conventionnel ASP ppm 23

24 8. Détermination des taux de traitement en polymère Sur un plan pratique, il convient de retenir le meilleur compromis entre : le taux de traitement optimal visant le respect des objectifs de qualité recherchés les paramètres tels que la teneur résiduelle en coagulant, la qualité du floc formé, la cohésion de la boue qui vont influer sur la qualité de la décantation ou flottation le coût total des réactifs (coagulant minéral, coagulant organique, floculant, acide, base ) 8.1 PARAMETRES INFLUENTS DE TAUX DE TRAITEMENT EN COAGULANT Nature des réactifs choisis Qualité d eau brute et qualité d eau traitée visée: Turbidité, oxydabilité au KMnO 4/COT/UV, résiduel de coagulant Prétraitement : préchloration, préozonation, reminéralisation Prise en compte de la qualité du floc et de la cohésion de la boue Déterminer le taux de traitement Masse de réactif / m3 d eau Plage de ph optimal Décalage entre les points d injection des différents réactifs : coagulant, floculant, acide ou base Figure 6 : Schéma de principe des paramètres influençant le taux de traitement en coagulant 8.2 REGLE Pour déterminer le taux de traitement, il faut pratiquer le Jar-Test défini dans les protocoles opératoires de référence établis par le CIRSEE : «Pratique de l essai de coagulation/floculation/décantation» «Pratique de la coagulation, floculation et flottation» Pratique de la coagulation sur filtre Deux contextes opérationnels sont à distinguer pour la détermination du taux de traitement : La définition du dimensionnement des ouvrages de traitement ou lors d audit de performance de la filière ou encore lors de la détection de dysfonctionnements sur la décantation ou la flottation. 24

25 Les paramètres suivants sont alors systématiquement déterminés : 8le choix du coagulant optimal et le taux de traitement adéquat pour la qualité de l eau brute considérée et une qualité d eau recherchée 8la plage de ph optimal 8les caractéristiques des boues formées (volume, poids, cohésion) 8la nature et le taux du floculant à mettre en œuvre 8la détermination du temps de décalage entre l injection des différents réactifs Ces déterminations sont réalisées à un moment donné sur un échantillon représentatif de la qualité de l eau la plus fréquemment rencontrée au niveau de la ressource considérée. L adaptation du taux de traitement en fonction de la variation de la qualité de l eau brute et de l objectif visé et de l optimisation des conditions de mise en œuvre. 8le Jar-Test est essentiellement pratiqué pour rechercher au quotidien le taux de traitement optimal à appliquer 8la fréquence de la détermination varie de 1 fois par jour à 1 fois par semaine pour des ressources de qualité variable (eau de surface de type rivière ) à 1 fois par mois pour des ressources de qualité peu variable (eau de surface de type lac, barrage..). 8.3 EXPRESSION DU TAUX DE REMPLACEMENT ET DU TAUX DE SUBSTITUTION L utilisation des polymères cationiques peut se faire en remplacement partiel ou total des coagulants minéraux ; toutefois, dans la majeure partie des applications industrielles actuelles, les polymères cationiques sont utilisés en substitution partielle des coagulants minéraux. Deux termes doivent alors être définis : le taux de substitution qui correspond au pourcentage de coagulant minéral qui va être substitué par du coagulant organique le taux de remplacement «1/x» qui signifie qu un ppm de polymère remplace x ppm de sel métallique Par exemple, 100 ppm de sulfate d aluminium substitués à 30% par du polymère à un taux de remplacement de 1/10 correspond à un traitement de 70 ppm de sulfate d aluminium et 3 ppm de polymère. Sur des eaux de surface, les combinaisons minéral/organique optimales sont obtenues pour des substitutions variant entre 30 et 50 % avec des taux de remplacement compris entre 1/25 et 1/10 en matière active selon la qualité de l eau brute et les paramètres fixés en sortie de filière. Cas particulier des polymères mixtes en solution : Sont disponible dans le commerce des solutions mixtes (type FLB, produit commercial SNF Floerger) mélange de sels d aluminium et de coagulant organique à des concentrations variant entre 25 et 50 % de coagulant organique. L intérêt de ces réactifs est de simplifier la mise en œuvre de l injection de deux réactifs en un seul réactif. Leur limite est que la stabilité dans le temps du mélange est réduite à 6 mois. Les mélanges mixtes de chlorure ferrique et de polymère ne sont pas commercialisés car ils ne sont pas stables dans le temps. 25

26 Recommandation de traitement : Du fait du risque important de dégradation de la qualité de la clarification en cas de surdosage en polymère, la solution de travailler à ratio minéral/organique constant est préconisée par rapport à la solution de mettre un taux constant d organique en variant le minéral selon la qualité de l eau brute. Dans cette idée et sachant que les eaux sont toutes différentes, une première série de jar-test devra être réalisée, au départ, afin de déterminer quel est le taux de substitution et de remplacement le plus adapté au traitement de l eau considérée. Une différence pourra alors être faite en fonction des saisons (été, hivers) si la qualité de l eau diffère fortement. L adaptation quotidienne du traitement en fonction de la qualité de l eau brute se fera par rapport aux résultats, quotidien ou hebdomadaire, du jar-test effectué sur site avec le coagulant minéral seul. A l optimum en coagulant minéral, les taux de substitution et de remplacement seront alors appliqués pour déterminer les condition de traitement à mettre en œuvre sur l usine. 26

27 9. Informations réglementaires 9.1 REGLEMENTATION EUROPEENNE L Organisation Mondiale de la Santé classe l EpiDMA dans les substances génotoxiques et cancérigènes et fixe à 0.4 µg/l la concentration seuil pour les eaux potables. Réglementation transport et étiquetage : Les PolyDADMAC et EpiDMA ne sont pas classés comme des produits dangereux pour le transport, ils n ont donc pas de numéro ONU, de classe de danger ni de groupement d emballage. Le marquage des conteneurs est le suivant : nom du produit : «appellation commerciale et qualité» masse nette nom et adresse du fournisseur et/ou du fabricant mention : «produit conforme à l EN 1408» pour les PolyDADMAC «produit conforme à l EN 1409» pour les EpiDMA. Les mélanges mixtes de coagulant cationique et de coagulant minéral (polychlorure d aluminium) sont soumis à la réglementation pour le transport de liquide corrosif : classe de danger : 8 Numéro ONU : 1760 Groupe d emballage : III Stockage : Produit normalement stable entre 6 et 24 mois selon le réactif. Suivre les recommandations du fournisseur. Pour les polymères seuls : stocker à l écart des acides forts et agents fortement oxydants loin d une source de chaleur dans un lieu sec et frais (0 à 30 C). Pour les mélanges mixtes : ne pas entreposer avec des bases. Tenir les récipients bien fermés dans un endroit frais et aéré. 9.2 REGLEMENTATION FRANÇAISE L agrément pour l utilisation des coagulant organique en eau potable a été délivré en France en 2004 par la DGS (Direction Générale de la Santé) pour les réactifs des familles PolyDADMAC et EpiDMA du fournisseur SNF Floerger. Depuis 2004, SNF Floerger est ainsi la seule société en mesure de fournir les coagulants organiques de synthèse agréés en France pour l eau potable. L accréditation des polymères coagulants cationiques pour le traitement de l eau potable, en France, a été accordée pour des taux de traitement inférieurs à 5 mg/l en matière active. Réglementation particulière pour le monomère épichloridrine La quantité de produit utilisé ne doit pas être supérieure aux spécifications du fabricant, soit 10 mg/l. 27

28 valeur paramétrique en épichloridrine dans l eau destinée à la consommation humaine est fixée à 0.1 µg/l d eau. Cette limite est calculée conformément aux spécification de la migration maximale de polymère correspondant en contact avec l eau. Concernant l EpiDMA, l apport en épichloridrine dans l eau traitée ne doit jamais être supérieure à 10 % de la valeur paramétrique, soit 0.01 µg /L. Ceci correspond, pour une dose de traitement de 10 mg/l de coagulants, à une limite en épichloridrine dans les lots de coagulants de 1 mg/kg. Réglementation plus stricte sur l épichloridrine composé génotoxique et cancérigène, correspondant au monomère de l EpiDMA. 9.3 REGLEMENTATION BRITANNIQUE PolyDADMAC Le taux de traitement maximum autorisé en PolyDADMAC est de 10 mg/l en matière active EpiDMA Le taux de traitement moyen est généralement de 2.5 mg/l en matière active. Le taux de traitement maximum autorisé est de 5 mg/l en matière active. La concentration en monochloropropanol1,2-diol doit être inférieure à 40 mg/kg de matière active. La méthode de d analyse du monochloropropanol1,2-diol doit répondre aux conditions suivantes : limite de détection inférieure à 4 mg/kg de matière active ; incertitude de mesure inférieur à 4 mg/kg de matière active à 40 mg de monochloropropanol1,2-diol par kilogramme de matière active ; réalisation de deux analyses sur une période inférieure à 5 jours, degré de liberté inférieur à Polyacrylamide La teneur en monomère acrylamide contenue dans le produit commercial doit être inférieure à 0.02% en matière active. Tout dépassement des valeurs limites en monomère doit être indiqué par le fournisseur. La méthode d analyse du monomère acrylamide est portée dans le rapport de l agence environnementale «Methods for the Examination of Waters and associat materials» sous l intitulé «Determination of Acrylamide». Le taux de traitement moyen en polyacrylamide est de 0.25 mg/l en matière active. Le taux de traitement maximal est de 0.5 mg/l en matière active. 9.4 REGLEMENTATION USA/ NSF Le site NSF permet d accéder aux valeurs maximales d utilisation des polymères en fonction du fournisseur et du produit commercial. 28

29 10. Données fournisseurs Pour information, le Tableau 3 présente les différents fournisseurs de polymères dans le monde associés au nom de la gamme de polymère cationiques qu ils proposent. Tableau 3. Récapitulatif des gammes de polymère en fonction du fournisseur Industries BUCKMAN CIBA CYTEC GULBRANDSEN KEMIRA NALCO SNF Floerger STOCKHAUSEN Nom commercial des polymères BPL / Hicat / Bufloc Magnafloc Superfloc G-floc Fennopol / Fennofix Prosedim / Cat Floc FL / FLB Praseol En France, seul SNF Floerger est agréé à vendre des polymères cationiques de types PolyDADMAC et EpiDMA pour le traitement de l eau potable. Dénomination des polymères de SNF Floerger : Le fournisseur SNF Floerger commercialise deux types de polymères cationiques : les réactifs à base de polymère cationique de types FL (comme FLoerger) et les mélanges de polymère cationique et coagulant minéral, de type FLB (comme FLloerger Blend, i.e., mélangés). Ces mélanges contiennent, du Polychlorure d aluminium (PAC) et un polymère cationique dont la masse moléculaire se rapproche le plus d un polymère type FL de sa catégorie (Polyamine ou PolyDADMAC). Chaque polymère est ensuite différentié par un succession de chiffre : les deux premiers chiffres de leur dénomination informent sur leur masse moléculaire, plus ou moins grande selon le chiffre (ex : FL4540 de masse inférieure à FL4820). les deux chiffres suivant correspondent : à la part de matière active dans la solution pour le type FL (ex : FL4540 contient 40% de matières active). à la proportion des deux réactifs (organique et minéral) du mélange pour le type FLB (pour exemple, le réactif FLB 4550, est un mélange de FL 4540 et de PAC. La masse moléculaire est moyenne (45), les réactifs du mélange sont en proportion de matière active égale (50% de matière active du polymère / 50% de matière active du PAC). Etant donné que le FL 4540 est à 40% de matière active et le PAC à 18%, pour atteindre les mêmes pourcentages, il faut 31% de FL 4550 et 69% de PAC. Les dénominations des polymères utilisables en traitement de l eau potable sont suivies de la désignation SEP (Spécial Eau Potable) ou PWG (Potable Water Grade). Cette dernière désignation risque de disparaître, dans un futur proche, au profit de la première. 29

30 11. Conclusions Les polymères cationiques peuvent être utilisés en alternative aux coagulants minéraux pour renforcer la fiabilité des procédés de clarification. Leurs applications sont les suivantes : en coagulation/décantation/filtration où ils permettent de fiabiliser les étapes de clarification, d allonger les cycles de filtration et de diminuer le volume de boue produite en coagulation sur filtre, leur effet bénéfique se traduisant par une augmentation des temps des cycles de filtration ainsi qu un diminution du volume de boue produite. en post-coagulation, ils permettent alors d augmenter les temps des cycles de filtration par formation d un colmatage progressif et en profondeur des filtres. Les risques majeurs liés à l utilisation des polymères sont la formation de sous-produits de désinfection de type NDMA et la dégradation de la qualité de la décantation en cas de surdosage estimé pour un taux de traitement supérieur ou égal à 1.5 fois le taux préconisé. Ces deux inconvénients imposent, lors de l emploi de polymères, un suivi quotidien et une réactivité rapide sur les sites d exploitation. Par principe de précaution, un suivi périodique de la formation potentielle de NDMA en eau traitée, après chloration, est conseillé bien que ce paramètre ne soit pas soumis, pour le moment, à réglementation. Les taux de traitement présentés dans le Tableau 4 sont à titre indicatif. Il incombe à chaque exploitant de les adapter en fonction du type d eau à traiter par la réalisation de jar-tests. Tableau 4. Taux de traitement indicatifs Type d eau Traitement de référence coagulant minéral (ppm de solution commerciale) Coagulant minéral (ppm de solution commerciale) Alternative Coagulant organique (ppm de solution commerciale) Intérêts Limites et risques Eau souterraine à 50 % Fiabilité de la clarification NDMA Surcoût Eau de surface Bonne qualité (<10 NFU) Qualité dégradée (10-50 NFU) % à 50% de substitution /25 à 1/10 en matière active (limite d utilisation) Diminution de la quantité de boues produites Diminution des taux de CAP Formation potentielle de NDMA NB : Les valeurs de taux de traitement des coagulants organiques sont donnés sur la base de l utilisation d un polymère à 50% de matière active. La formation de sous-produits associée à ces réactifs n'était pas l'objectif principal de cette étude. Cependant, les réusultats obtenus poussent à étudier plus en détail ce risque sur les aspects analytiques et formation associée à la désinfection. 30

31 12. Documents disponibles et références Les documents de référence sont disponibles dans la base Tansfaire sous W 2 NET (fiches techniques). Une base, en cours de création, interne au pôle eau potable est consultable (liste des fournisseurs, réactifs, caractéristiques ) Rapport Synthèse : BAUDIN I - Green Chemistry Project, Actions in BAUDIN I., CAUDRON C., RODRIGUES JM. - Objectif 0.3 NTU en eau traitée, utilisation des polymères cationiques. Bilan de la phase 2 BAUDIN I. - Evaluation de l intérêt des réactifs de coagulation à base de polymères organiques (de type PolyDADMAC et EpiDMA) agréés en France en 2004 pour la production d eau potable - 13/07/2004 BAUDIN I., RODRIGUES JM. - Mise en œuvre de Polymères Cationiques sur l usine de Morsang - 23/02/2005 BAUDIN I., HUET S., RODRIGUES JM. Optimisation du procédé de clarification Utilisation des polymères cationiques. Bilan de la phase /2005 BAUDIN I., FABRE A., RODRIGUES JM. Optimisation du procédé de clarification Utilisation des polymères cationiques. Bilan de la phase Norme européenne et Norme française : NF EN 1408 : Poly(chlorure de diméthyldiallylammonium) NF EN 1409 : Polyamines Publications et ouvrages : Memento technique de l eau, dixième édition, Degrémont. [8] BAUDIN I. et al. Use of alternative polymers for enhanced coagulation and direct filtration WUQTC San Antonio Nov [2] BOLTO B. A., DIXON D., ELDRIDGE R., KING S. Cationic polymer and clay or metal oxide combinations for natural organic matter removal 2001 Water. Res Vol.35, No.11, pp [3] BOLTO B. A.,DIXON D. R., ELDRIDGE R., KING S The use of cationic polymers as primary coagulant in water treatment 1998 Chemical Water and Waste-water Treatment V eds H. H. Hahn, E. Hoffmann, H. Ødegaard pp Springer, Berlin. [4] BOLTO B. A.,DIXON D. R., ELDRIDGE R., KING S, TOIFL M. Cationic polyelectrolytes as primary coagulants in drinking water treatment 1999 Proceedings of the Australian WWA 18 th Federal Convention pp Australian Water and Wastewater Association Sydney. [5] BOLTO B. A., ABBT-BRAUN G., DIXON D., ELDRIDGE R., FRIMMEL F., HESSE S., KING S., TOIFL M. Experimental evaluation of cationic polyelectrolytes for removing natural organic matter from water 1999 Water Sci. Technol. Vol.40, No.9, pp [7] DUGUET J.P., MALLEVIALLE J. Influence of NOM on water treatment 1997 Proc. 21 st Congress pp.ss13 / 8-13 International Water Services Association Madrid. Sites Internet : : liste des polymère autorisé par US NFS pour le traitement de l eau potable (NFS ANSI standard 60). : Normes Grande-Bretagne. 31

32 Partie 2 : Synthèse essais

33 1. Introduction La filtration et ses traitements en amont, coagulation décantation, sont les procédés les plus appliqués en traitement de l eau conventionnel pour l élimination des particules en général et des micro-organismes en particulier. A l heure actuelle, la turbidité est le meilleur indicateur d efficacité de ces étapes. Le contexte réglementaire et contractuel vis-à-vis de l eau potable impose aux traiteurs d eau de garantir une turbidité inférieure à 0,5 NFU, 100% du temps et inférieure à 0.3 NFU, 95% du temps. Ces objectifs de turbidité peuvent-être garantis sur la plupart des filières de traitement optimisées au niveau de la clarification et de la filtration en second étage. Cependant, la turbidité ne représente pas l unique paramètre à maîtriser. Depuis quelques années, les traiteurs d eau portent une attention toute particulière à l élimination de la matière organique naturelle (MON). En effet, la MON présente dans l eau brute est source de nombreux désagréments : couleur, goût ou encore odeur. Elle est également impliquée dans la formation de sous-produits de désinfection cancérigènes principalement lors de la chloration. Enfin, elle interfère l oxydation du fer et du manganèse dissous, aggravant la corrosion et la détérioration de la qualité de l eau dans le réseau de distribution. L élimination de la MON est donc essentielle pour minimiser les risques sanitaires et la dégradation du réseau de distribution. Actuellement, l élimination de la turbidité nécessite l ajout de forte dose de coagulant minéraux et un ph de coagulation acide pouvant conduire à des concentrations excessives de métal résiduel en sortie de traitement ainsi qu à une forte production de boues. Concernant l élimination de la MON, elle est souvent optimisée par ajout de Charbon Actif Poudre (CAP). Cette étape est l une des plus coûteuse du procédé de clarification appliqué aux eaux de surface, du fait du prix excessif du CAP. L optimisation et le contrôle des taux de traitement en réactifs sont donc des enjeux techniques et économiques importants pour les traiteurs d eau. L utilisation de polymères organiques de synthèse est une des voies potentielles et prometteuses pour améliorer l efficacité et la fiabilité des procédés de clarification. Elle permettrait également de répondre aux objectifs de maîtrise de la turbidité et de la teneur en MON dans l eau traitée avec le souci de limiter les investissements. En effet, ces polymères peuvent être mis en œuvre en tant qu aide aux procédés de coagulation, floculation et filtration actuels, en complément ou en alternative partielle aux réactifs minéraux conventionnels. Leurs performances dépendent peu du ph et ils permettent de réduire la concentration en métal résiduel et le volume de boues. Cependant, l impact sur la santé et l environnement sont une de limites à leur utilisation puisqu ils peuvent être à l origine de sous-produits de désinfection cancérigènes. Le présent projet s inscrit dans la continuité des expériences menées, ces cinq dernières années, sur les polymères organiques cationiques. L étude a été réalisée au sein du Pôle Qualité Eau du CIRSEE (Centre International de Recherche Scientifique sur l Eau et l Environnement). Le contexte et l historique du projet sur les polymères cationiques seront rappelés dans une première partie. Le travail effectué porte sur l évaluation en laboratoire et sur site des performances technico-économiques des coagulants organiques par comparaison avec un coagulant minéral. Pour ce faire deux configurations seront explorées. Dans un premier temps, l utilisation de polymère sera testée sur une filière de type coagulation/décantation/filtration. Dans un second temps, ces mêmes polymères seront évalués en post-coagulation d un décanteur de type Densadeg sur le même site. 33

34 2. Contexte du projet / Rappels La nouvelle réglementation française impose aux producteurs d eau, une eau traitée de turbidité inférieure à 0.5 NFU 100% du temps et de turbidité inférieure à 0.3 NFU 95% du temps. Cet objectif de turbidité peut-être garanti sur la plupart des filières de traitement optimisées au niveau de la coagulation/décantation/filtration premier et second étage. Les polymères cationiques de type PolyDADMAC (ou PolyDiAllylDiméthylAmmoniumChlorure) et EpiDMA (ou Epichlorhydrique- DiméthylAmine), sont pressentis comme susceptibles d aider à fiabiliser l étape de coagulation. L agrément pour l utilisation en eau potable a été délivré en France en 2004 par la DGS (Direction Générale de la Santé) pour des réactifs des familles PolyDADMAC et EpiDMA du fournisseur SNF Floerger. Depuis 2004, SNF Floerger est ainsi la seule société en mesure de fournir les coagulants organiques de synthèse agréés en France pour l eau potable. Les études réalisées par le CIRSEE ont été menées en collaboration avec des exploitants de sites de production LDEF (Lyonnaise Des Eaux France) et financées en partie par l AESN (Agence de l Eau Seine-Normandie) depuis Le but de ce projet est d évaluer techniquement et économiquement l intérêt de ces réactifs et d émettre des recommandations de mise en œuvre à l attention des exploitants d usine de production d eau potable. Ce projet a fait l objet de rapports de synthèse intermédiaires destinés à l AESN. En France, le marché concerné par l application de ces réactifs est le suivant : tout site mettant en œuvre des coagulants minéraux (coagulation sur filtre et coagulation/décantation/filtres) soit pour le groupe 80 usines LDEF équivalent à 270M m 3 /an. sites préférentiellement concernés : usines de coagulation sur filtre, sites connaissant des événements qualité hors norme en turbidité, aluminium, problème de ph, de corrosion sites avec problème de gestion des rejets. L étude réalisée en 2001 a permis de montrer l intérêt de l utilisation des polymères cationiques (type PolyDADMAC et EpiDMA) pour le traitement en coagulation sur filtre d eaux d origine karstiques sujettes à de grandes variations de turbidité. Ces coagulants organiques appliqués en substitution d une partie (en général 30%) du sel métallique utilisé normalement, aluminium ou fer, garantissent l obtention d une turbidité d eau filtrée inférieure à 0.2 NFU, 99 % du temps. D autre part, les cycles de filtration sont allongés (jusqu à 180%, comparé à l utilisation du chlorure ferrique seul), ce qui entraîne une diminution des pertes en eau de lavage de 64%. Un bilan économique a montré également que l application combinée de coagulant organique (polymère cationique) et de coagulant minéral classique (sel métallique) permet de réduire les coûts en réactifs de l ordre de 10%. L étude réalisée en 2002 a permis de comparer les réactifs de synthèse PolyDADMAC et EpiDMA à des réactifs naturels (protéines extraites du soja ou du Moringa). Tous les réactifs testés sont d efficacité proche en terme d élimination des particules et des matières organiques. Le degré de cationicité peut permettre d améliorer l élimination des matières organiques dans certaines applications. Les taux optima de remplacement de sels de fer et de substitution ont été confirmés : 30% de remplacement du coagulant minéral par du polymère dosé à 1/10. 34

35 L étude réalisée en 2003 avait pour objectif de quantifier le risque potentiel, cité dans la littérature, de formation d un sous-produit cancérigène (comme la N-Nitroso-diméthylamine ou NDMA) sur eau traitée après ajout de polymère cationique et chloration. Les conditions testées ont été représentatives d une mise en œuvre à échelle industrielle des polymères PolyDADMAC et EpiDMA en combinaison avec des coagulants minéraux pour un traitement de coagulation d eau de surface. Aucune des conditions testées (variations des paramètres : nature des réactifs, taux de traitement en polymère coagulant, chlore, temps de contact, ph, présence de nitrite, etc.) n a mené à la formation de NDMA en concentration supérieure au seuil de détection analytique (15 ng/l). L étude réalisée en 2004 a permis de tester au niveau industriel sur une usine de coagulation sur filtre (site de Maromme, traitement d eaux souterraines influencées, 1000m 3 /h) les réactifs PolyDADMAC et EpiDMA. L objectif des essais était de démontrer l intérêt d un mélange sel de fer/polymère cationique pour le renforcement de l efficacité et de la fiabilité du procédé de coagulation dur filtre, spécialement en période d alimentation de l usine par une ressource de qualité dégradée. L étude réalisée en 2005 a permis de tester au niveau industriel sur une usine de coagulation/décantation/filtration (site de Morsang-sur-Seine traitement d eau de surface) les réactifs PolyDADMAC et EpiDMA en période chaude sur une ressource de bonne qualité. Ces essais n ont pas démontré un fort intérêt technique ni économique du mélange Sel d Aluminium (SA)/ polymère sur la fiabilité du procédé comparé au traitement au SA seul sur ressource de bonne qualité. Le mélange SA/polymère semble toutefois intéressant pour traiter la ressource en période froide (forte teneur en Matière Organique (MO) Etude réalisée en 2006 : Afin de valider les hypothèses émises lors de l étude menée en 2005, de nouveaux essais ont été programmés sur l usine de Morsang-sur-Seine, en période froide sur ressource dégradée. Parallèlement à ces essais, l évaluation à l échelle industrielle de la mise en place des polymères en post-coagulation d un décanteur de type Densadeg a été menée sur l usine de Morsang sur Seine. 35

36 3. Les polymères organiques de synthèse : approche bibliographique La partie la plus importante de la pollution organique, présente dans les ressources naturelles, provient des substances humiques. Or, ces substances humiques sont des précurseurs de composés organo-halogénés et autres sous-produits de chloration. Il est donc important de les éliminer lors du procédé de clarification pour produire de l eau potable [13]. Dans l eau brute, les substances humiques sont chargées plus ou moins négativement en fonction du ph. Les charges négatives sont dues à la présence de groupes phénol et alcool qui se dissocient à ph alcalin. L élimination des substances humiques nécessite donc la neutralisation de ces charges. 3.1 MECANISMES DE NEUTRALISATION L élimination des matières minérales et des matières organiques par coagulation dépend principalement des mécanismes de neutralisation de charge quelque soit le type de coagulant : coagulants minéraux, les plus utilisés coagulants organiques La différence d efficacité de séparation entre les coagulants minéraux et les coagulants organiques provient donc du mécanisme d agrégation utilisé. En effet, concernant les coagulants minéraux, l étape la plus importante de la neutralisation est la déstabilisation des impuretés. L efficacité de cette étape dépend du type d «hydroxopolymer» formé et du ph. Une gamme optimale de ph a donc été déterminée pour la coagulation : 4<pH<6. De plus, les conditions de déstabilisation sont également liées à la nature chimique des impuretés et, plus particulièrement, à la structure de la matière organique. Ces différents aspects conditionnent le choix du type de coagulant à utiliser et le dosage à appliquer. Les coagulants organiques (ou polymères cationiques), quant à eux, fonctionnent suivant un mécanisme de déstabilisation pour les particules solides minérales. Toutefois, concernant l élimination de la matière organique, il semblerait que les mécanismes d agrégations, soient à prendre en compte. Ces derniers se traduisent par la formation de liaisons inter-particulaires ainsi que par des enroulements du polymère autour des particules [13], des d interactions hydrophobes entre les particules adsorbées sur le polymère et celles de la solution [12] peuvent également apparaître. De ce fait, l interaction entre les charges négatives des acides humiques (MO) et les charges positives des polymères cationiques ne se fait pas toujours suivant une loi stœchiométrique simple. Pour les polymères cationiques ayant une densité de charge supérieure ou égale à 3méq/g, la réaction suit bien la stœchiométrie des charges. Par conséquent, la neutralisation dépend de la quantité de charge introduite avec le polymère et non de sa masse molaire ou de sa densité de charge. Concernant les polymères de faible densité de charge, il ressort qu une quantité de charge cationique inférieure à la stœchiométrie est suffisante pour coaguler les substances humiques. Il semblerait que la longueur relatives des segments cationiques des chaînes de polymère et celle des segments anioniques des substances humiques aient une importance [8]. 36

37 De plus, en solution aqueuse, les charges cationiques des polymères sont associées à des contre ions qui compensent partiellement la charge. Dans le cas des polymères à forte densité de charge, la neutralisation est stœchiométrique ce qui implique que tous les contre ions sont déplacés et les longueurs des segments chargés ne doivent pas nécessairement être identiques. Concernant les polymères faiblement chargés, il apparaît que lorsque la longueur des segments cationiques est supérieure à celle des segments anioniques à neutraliser, le déplacement des contre ions n est pas total et la neutralisation des charges s effectue dans des conditions non stœchiométriques [7]. Ceci implique donc que chaque polymère, ou plus précisément chaque longueur de chaîne de polymère, sera spécifique à un type de MON donné. Enfin, si on compare des polymères de masse molaire et de densité différentes, il ressort que ces deux paramètres ont un impact important sur l élimination de la matière organique. En effet, les polymères à longues chaînes (haut poids moléculaire et forte densité de charge) sont plus efficaces que les autres pour l élimination de la matière organique [5]. 3.2 IMPACT DES POLYMERES SUR LA STRUCTURE DES FLOCS [16] L utilisation de coagulant à base de d Aluminium tel que le Sulfate d Aluminium (SA) permet une coagulation rapide après ajout de réactif, mais conduit à la formation de flocs de petite taille, peu résistants au cisaillement et dont la détérioration est irréversible. Le PolyDADMAC nécessite un temps de coagulation plus long, de l ordre de 10 à 15 min mais permet l obtention de gros flocs, peu résistant au cisaillement mais dont la détérioration est entièrement réversible. De plus, l indice de floculation (FI) obtenu avec PolyDADMAC est quatre fois supérieur à celui obtenu avec SA. Or, plus le FI est grand, plus la déshydratation des boues est facile. 3.3 LES PERFORMANCES D ELIMINATION SUR LES SUBSTANCES HUMIQUES Concernant l élimination de la matière organique (absorbance UV) les réactifs peuvent être classés de la manière suivante [5] : Alum > CPMA > PolyDADMAC > CPAM Avec : PolyDADMAC : poly(chlorure de diallyldiméthylammonium CPAMs : poly(acrylamides) CPMA : poly(methacrylate) Alum : Sulfate d Aluminium anhydre Le CPAM et CPMA sont des polymères cationiques autorisés dans d autres pays mais qui n ont pas reçu d accréditation pour l eau potable en France, car ils sont à l origine de sousproduits de désinfection cancérigènes [7]. Aucune publication ne fait la comparaison entre EpiDMA, PolyDADMAC et Sulfate d Aluminium pour l élimination de la matière organique (MO). 37

38 La traitabilité de la MO d une eau dépend principalement de sa composition. La matière organique peut alors être divisée en quatre fractions distinctes : Acides fortement hydrophobes (composés aromatiques, acides humiques [3] ) : le sulfate d aluminium est le plus efficace suivi du CPMA. Pour l élimination de cette fraction de la matière organique on préconisera des polymères à forte densité de charge. Acides peu hydrophobes (acides fulviques [3] ) : le sulfate d aluminium est également le plus efficace. Suivant la composition de cette fraction, le CPMA et le PolyDADMAC peuvent toutefois avoir un intérêt. Composés hydrophiles chargés (protéines, acides aminés, polysaccharides anioniques [4] ) : le PolyDADMAC est aussi efficace que le sulfate d aluminium pour certaines eaux suivi du CPMA. Composés hydrophiles neutres (glucide, aldéhydes, cétones, alcools [3] ) : le sulfate d aluminium est le plus efficace suivi du CPMA et du CPAMs. Les acides fortement hydrophobes sont très facilement éliminés par tous les coagulants et nécessitent de faible dose de sulfate d aluminium. Les résultats obtenus par ajout de CPMA et de PolyDADMAC seuls sont de 94 à 100% de ceux obtenus avec le sulfate d aluminium. De plus, l ajout de 1.5 mg/l de PolyDADMAC permet de diminuer par deux le taux de sulfate [2]. Les composés hydrophiles chargés sont la seconde fraction la plus facilement éliminable, suivi par les acides faiblement hydrophobes. Leur élimination étant légèrement plus difficile, les taux de sulfate d aluminium sont plus importants ; toutefois l ajout de 1 mg/l de PolyDADMAC permet de diminuer par 3 le taux de sulfate d aluminium [2]. Les composés hydrophiles neutres, dont la fraction dans l eau est la plus faible, environ 15% de la matière organique totale [4], sont difficilement éliminables. Quelques résultats encourageants ont toutefois été obtenus par ajout de CPMA puis de PolyDADMAC et enfin de CPAM [5]. Dans la littérature [3], les traitements conseillés en fonction des types d eau à traiter sont les suivants : Type d eau Eaux de retenue Eaux de rivière Tableau 5. Traitement préconisé en fonction du type d eau Caractéristique de l eau Composés hydrophiles Composés hydrophiles Polymère recommandé PolyDADMAC CPAM Caractéristiques du polymère Haut poids moléculaire Forte densité de charge Remarques Aussi efficace que le SA pour l élimination des composés colorés Rétention supérieure au SA en présence de particules (argiles ) Aussi efficace que le SA pour l élimination des composés colorés Rétention supérieure au SA en présence de particules (argiles ) Eaux Composés CPAM Aussi efficace que le SA souterraines hydrophobes PolyDADMAC NB : les eaux souterraines étant soumises à moins de radiation UV que les eaux de surface, leurs composés hydrophobes sont moins dégradés. De plus, il est possible que les absorption avec le sol contribuent à diminuer la fraction peu hydrophobe des eaux souterraines. [5] Enfin, l utilisation de polymères cationiques en remplacement des oxydes ferriques ou d aluminium permet d éviter la formation hydroxydes métalliques générés par hydrolyse des sels métalliques. Toutefois, l élimination de la matière organique libre en suspension 38

39 est partielle dans le cas de l emploi de polymères cationiques à longue chaîne et haut poids moléculaire seul [3] [4]. Quand la turbidité de l eau n est pas suffisante (manque de particules) l utilisation d un mélange de polymère/oxyde métallique est intéressant afin d augmenter les particules en suspension. En effet, les oxydes métalliques tout comme l argile agissent à la fois comme absorbants de matière organique et comme agents de nucléation pour la formation de complexes NOM-polymère. L efficacité des oxydes métalliques peut-être classée comme suit : Fe 2 O 3 > Fe 3 O 4 > Al 2 O 3 > MnO 2 [9] [15] [10] Concernant le mélange sulfate d aluminium / polymère : plus l eau contient une part importante de composés hydrophobes, plus le traitement avec les polymère est efficace. Pour exemple : sur différentes eaux traitées au sulfate d aluminium et polymère, il ressort que l ajout de polymère conduit systématiquement à une amélioration de la qualité de l eau traitée. Selon le type d eau et plus précisément leur teneur en composés hydrophobes les dose d aluminium peuvent être diminuée de 67 à 43 % par ajout de 1 à 0.5 mg/l de PolyDADMAC à 260 g/mol. Ces traitements permettent d obtenir une eau de meilleure qualité que l eau traitée à la dose optimale de sulfate d aluminium. Toutefois, il apparaît que pour certaine qualité d eau brute aucune diminution du taux de sulfate d aluminium n est envisageable. Les taux de traitement préconisé dans la littérature pour la coagulation [5] sont finalement les suivants : Tableau 6. Taux de traitement pour la clarification d eaux de surface et souterraines reconstituées PolyDADMAC : poly(chlorure de diallyldimethylammonium) CPAMs : poly(acrylamides) CPMA : poly(methacrylate) 5-8 mg/l 7-8 mg/l 7-8 mg/l Alum : sulphate d aluminium anhydre mg/l NB : tous les polymères testés ont une masse molaire et une densité de charge élevée L accréditation des polymères pour le traitement de l eau potable a été accordée pour des taux de traitement inférieurs à 5mg/L en matière active. 3.4 AVANTAGES, INCONVENIENTS ET RISQUES Dans la littérature, les avantages et les limites d utilisation de polymères sont largement énumérés. Les avantages des coagulants organiques cationiques par rapport aux réactifs conventionnels de coagulation/floculation comme les sels de fer ou d aluminium sont les suivants : 39

40 Sur le plan technique : Dosage en faible concentration Efficacité sur une large gamme de ph contrairement aux sels minéraux classiques dont l efficacité est fortement dépendante du ph Faible modification du ph de l eau coagulée. Ainsi les corrections de ph et d alcalinité sont réduites, voir supprimées réduisant les coûts de réactifs et de stockage. Avantage pour certaines eaux de ces réactifs sur l élimination des matières organiques dissoutes Maîtrise de l encrassement des filtres avec accroissement des cycles de filtration et diminution des pertes en eau par lavages Sur le plan réglementaire Alcalinité de l eau stable Opportunité pour fiabiliser un procédé de coagulation sur filtre en assurant une turbidité des eaux filtrées < 0.3 NFU 95% du temps et < 0.5 NFU 100% du temps. Elimination des micro-organismes et algues mono-cellulaires Les polymères sont en général moins corrosifs que les coagulants minéraux ; ce qui signifie moins de problèmes de maintenance. Un produit est classé corrosif par rapport à un métal lorsqu il dépasse le seuil de 6,25 mm/an, or les polymères organiques ne dépassent pas les 4 mm/an tandis que les sels classiques dépassent les 10 mm/an. Pas d ajout d ions dissous de type Al, Fe à l eau traitée : Limitation du risque de teneur élevée en aluminium, protection de l environnement (norme européenne : 0,2 mg/l Al résiduel) Réduction du volume de boues produites (de 30 à 50 %) grâce à la réduction de formation d hydroxydes et boues plus facilement déshydratables. Les limitations d usage de ces réactifs sont : Sur le plan technique : Une confusion dans les applications entre polymères floculants et polymères coagulants La nécessité d un appareillage de dosage adapté aux produits de forte viscosité Une faible volonté de changer un traitement conventionnel, bien maîtrisé, à base de sels métalliques Problème potentiel de mise en œuvre : impact sur la gestion du décanteur mal connu Une bonne connaissance des mécanismes des réactions de coagulation est nécessaire afin d optimiser le choix du polymère car les polymères peuvent réagir lors des autres traitements chimiques notamment durant la chloration, l ozonation, la désinfection par UV. Les polymères peuvent interférer l action d absorbants solides de type charbon actif en poudre ou résines échangeuses d ion. Sur le plan réglementaire : Un risque dans le surdosage de ces réactifs qui entraîne une dégradation des eaux traitées Formation de sous produits possible ; en particulier formation de NDMA. 40

41 Applications/Marché : Le non agrément de ces réactifs en eau potable dans certains pays et l agrément récent en France (2004). La compétition avec les polymères naturels Le monopôle du fournisseur SNF Floerger en France Le coût par rapport aux coagulants minéraux pour certaines applications Le coût des polymères lié au prix du pétrole 41

42 4. Présentation de l usine L unité de traitement de l eau de Morsang-sur-Seine a été créé en Cette usine clarifie une eau de surface : l eau de la Seine. La localisation de la station, implantée très en amont de la concentration urbaine et industrielle de l agglomération parisienne, assure une maîtrise réelle des risques de pollution chronique ou accidentelle. De plus, l usine est équipé d une station de surveillance (Nandy), à 5 kilomètres en amont de sa prise d eau de Seine, qui joue un rôle de vigie pour tout l ensemble de la région parisienne. Voulue, dès sa création, comme une usine évolutive, la station de Morsang-sur-Seine a été réalisé par étapes successives. Dotée d une première tranche en 1970, l usine s est très vite étendue en 1975 avec le doublement de sa capacité de traitement. Enfin en 1988, l usine a acquis sa forme caractéristique en étoile avec l ajout d une troisième tranche augmentant la production nominale jusqu à m 3 /j, soit 50 millions de m 3 annuels (Annexe I). Tableau 7. Caractéristiques des trois tranches de la station Tranche T1 Tranche T2 Tranche T3 Débit moyen (m 3 /h) = Décantation sur Pulsator Filtration sur CAG Aquazur Ozonation Désinfection Neutralisation éventuelle Décantation sur Superpulsator Filtration sur filtres à sable Ozonation Filtration sur CAG Désinfection Neutralisation éventuelle Décantation sur densadeg Filtration sur filtres à sable Ozonation Filtration sur CAG Désinfection Neutralisation éventuelle Afin de faciliter la gestion de la production, l usine est automatisée. Le logiciel " TopKapi " permet un suivi en continu des paramètres de fonctionnement de l usine et de qualité de la ressource. De plus, grâce à un jeu d automates, les exploitants peuvent directement, via le logiciel, modifier certains paramètres de fonctionnement de l usine. 42

43 5. Résultats essais en clarification par coagulation et décantation Suite aux résultats des essais menés en été 2005 [1], il a été décidé de mener sur le site de Morsang une campagne d essais avec polymère cationique en période froide et sur une ressource plus chargée en matières organiques que celle testée en août Les essais menés en période chaude sur une ressource de bonne qualité ne permettaient pas de conclure sur l intérêt technico-économique des polymères cationiques en alternative partielle au Sulfate d Aluminium. Un courrier d information d écrivant les essais programmés en 2006 a été envoyé à la DASS par ESP. 5.1 OBJECTIFS DES ESSAIS Les objectifs des essais menés au niveau laboratoire (jar-test) et sur site sont les suivants : tester l intérêt des polymères cationiques vis à vis de l élimination des matières organiques (suivi du paramètre Absorbance UV) avec impact sur la diminution du taux de CAP à mettre en œuvre pour un même objectif de qualité d eau traitée, faire un bilan au niveau de la filtration au niveau d un filtre test et sur l ensemble des filtres (durée de cycle, colmatage). faire un bilan au niveau des boues (quantité et qualité) vis a vis notamment des métaux qui semblent être concentrés dans les boues avec polymères cationiques (analyse des métaux sur eau brute, eaux décantées des tranches 1, 2 et 3, et des boues des 3 tranches) contrôler la formation potentielle de sous produits (THM et NDMA) établir un bilan technico-économique de l utilisation des polymères cationiques en période froide. 5.2 LES REACTIFS Caractéristiques des coagulants Les réactifs testés en laboratoire et sur site sont les suivants : Coagulant minéral : Sulfate d Aluminium (SA) à 8.5%, d=1.3 Polymère anionique : ASP25 Polymères cationiques : FLOQUAT FL4440 PWG : PolyDADMAC 40% de matière active (m.a), d = FLOQUAT FL2550 PWG : EpiDMA 50% de m.a, d = 1.12 Les fiches produits du fournisseur SNF FLOERGER pour le polymères sont portées en annexe II. 43

44 5.2.2 Expression des taux de remplacement et de substitution L utilisation des polymères cationiques se fait en remplacement partiel ou total des coagulants minéraux. Les combinaisons optimales sont obtenues pour des substitutions variant entre 30 et 50 % avec des taux de remplacement compris entre 1/5 et 1/20 selon la qualité de l eau brute et les paramètres fixés en sortie. Ce taux «1/x» signifie qu un ppm de polymère substitue x ppm de sel métallique. Par exemple, 100 ppm de sulfate d aluminium substitués à 30% par du polymère à un taux de remplacement de 1/10 correspond à un traitement de 70 ppm de sulfate et 3 ppm de polymère. Pour la suite de l étude, le taux de substitution du SA sera fixe et égal à 30%, ce taux a été défini et optimisé d après les essais antérieurs menés en laboratoire en 2003/2005 ; seul le taux de remplacement variera. Afin de pouvoir comparer les deux polymères cationiques, il est nécessaire de travailler à taux de matière active (m.a) égal. Les correspondances entre les taux de remplacement en solution commerciale de PolyDADMAC et EpiDMA et les taux de matière active sont présentés dans le Tableau 8. Tableau 8. Table de correspondance des taux de substitution Matière active PolyDADMAC EpiDMA 1/25 1/10 2/25 1/20 1/8 1/10 1/10 1/4 1/5 5.3 DEROULEMENT DES ESSAIS : FEVRIER - MARS 2006 La première phase de l étude consiste à déterminer les taux de traitement optimaux en laboratoire lors d essais jar-test avec SA seul, SA+polymère organique, SA+CAP, SA+polymère organique+cap. La deuxième phase aura pour but de tester la combinaison optimale coagulants minéral et organique sur la tanche 2 de l usine (semaine 12). Afin d évaluer l impact du polymère sur la qualité de la clarification, un suivi des paramètres de fonctionnement de l usine ainsi que de qualité de l eau est planifié. Le Tableau 9 décrit toutes les analyses et mesures effectuées avec leurs fréquences pour la période des essais. 44

45 Tableau 9. Suivi des paramètres de qualité d eau et de fonctionnement du procédé de clarification durant les essais sur la tranche 1 et 2 TRANCHE 2 Eau brute Eau décantée Eau filtrée tranche Eau filtrée filtre test Eau ozonée Eau avant chloration Eau chlorée Débit TopKapi Température TopKapi ph TopKapi Turbidité TopKapi TopKapi TopKapi COT 2/sem 2/sem 2/sem 2/sem 2/sem 2/sem UV 2/sem 2/sem TopKapi 2/sem 2/sem 2/sem Al dissous 1/sem Métaux lourds 2/sem 2/sem 2/sem Sous produits : NDMA 1/sem 1/sem THM 1/sem Bactéries : BASR 1/sem 1/sem 1/sem 1/sem Esché. Coli 1/sem 1/sem 1/sem 1/sem Coli totaux 1/sem 1/sem 1/sem 1/sem Entérocoques 1/sem 1/sem 1/sem 1/sem Algues 1/sem 1/sem 1/sem 1/sem Boues : coef de cohésion composition quantité masse Volume filtré Temps de filtration Perte de charge TRANCHE 1 1/sem 1/sem 1/sem 1/sem turbidité TopKapi TopKapi TopKapi TopKapi TopKapi ph TopKapi 1/sem UV TopKapi 2/sem 2/sem 2/sem COT 2/sem 2/sem 2/sem Al dissous 1/sem NB : Suivi coordonné avec les analyses faites habituellement sur site Les différentes analyses sont effectuées par des laboratoire spécialisés Eau réseau 1/sem 5.4 RESULTATS ESSAIS EN LABORATOIRE Les essais jar-test en laboratoire ont été menés du 20/02/06 au 10/03/06 sur des prélèvements d eau de Seine (site de Morsang-sur-Seine). Ils ont été réalisés avec les conditions de fonctionnement appliquées sur l usine à savoir : coagulation à ph 7 (adaptation de l acide en fonction de la dose de SA : Annexe III) ajout de polymère ASP25 à taux constant 0.22ppm. Durant ces essais, différentes qualités d eau ont été testées. A partir des résultats obtenus en période chaude (août 2005 [1]) et des résultats en période froide, trois types d'eau ont été définies en fonction des valeurs des paramètres suivants : turbidité et teneur en matière organique : Tableau 10. Types d eau en fonction de la turbidité et de l absorbance UV Périodes Qualité de l eau brute Turbidité UV Hivers «dégradée» > 50 NFU > 10 m-1 «moyenne» NFU 5 10 m-1 Eté «bonne» < 10 NFU < 5 m-1 45

46 Ces trois types d'eau nécessitent des traitements différents et adaptés à chacune d elles. La suite de l étude va s attacher à déterminer les valeurs des taux de traitement à appliquer Détermination des taux de traitement optimaux Afin de déterminer les taux de traitement optimum pour la coagulation, les jar-tests ont été menés de la manière suivante : SA seul : détermination du taux de traitement au SA (valeur coordonnée avec celle du jar-test effectué sur site le mardi). La détermination de l optimum se fait principalement au regard de la valeur de la turbidité de l eau décantée (point d inflexion de la courbe). Cette valeur optimale en SA (SA opt ) sera, par la suite, utilisée pour la détermination du taux optimal en CAP et en polymère organique. SA + ASP25 : moins bonne détermination du point d inflexion de la turbidité SA opt + ASP25 + CAP : visualisation de l évolution de l UV en fonction du CAP. Pour le taux de CAP mis en place sur l usine, détermination d un point de référence pour l abattement UV (valeur UV à atteindre avec le polymère) SA opt + ASP25 + EpiDMA ou PolyDADMAC : détermination du taux de polymère optimal par rapport à l abattement en turbidité de l eau décantée. SA opt + ASP25 + EpiDMA opt ou PolyDADMAC opt + CAP : détermination du taux de traitement en CAP pour atteindre le point de référence UV (SA+ASP25+CAP). Les résultats obtenus pour deux eaux brutes de qualité moyenne et dégradée, en période hivernale, sont présentés sur la Figure 7 (voir figures en annexe IV). Eau brute d'hivers qualité "moyenne" Absorbance UV(m -1 ) 4,4 4,2 4 3,8 3,6 3,4 3,2 3 Taux de traitement optimal Eau brute : UV = 7,4 m -1 Turbidité = 20 NTU réf Taux de CAP (mg/l) absorbance UV pour un taux de substitution de 1/10 en EpiDMA sol commerciale (soit 1/20 de m.a) absorbance UV pour un taux de substitution de 2/25 en EpiDMA sol commerciale (soit 1/25 de m.a) absorbance UV pour un taux de substitution de 1/8 en PolyDADMAC sol commerciale (soit 1/20 de m.a) absorbance UV pour un taux de substitution de 1/10 en PolyDADMAC sol commerciale (soit 1/25 de m.a) référence absorbance UV pour SA + CAP (taux de traitement usine) Figure 7 : Evolution de l'absorbance en fonction du taux de charbon actif pour une eau brute de qualité moyenne dont l absorbance est 7.4m-1 Lorsque la qualité de l eau est moyenne (5-10 DOm -1 ), le PolyDADMAC et l EpiDMA ont une efficacité d élimination proche. En effet, les courbes d absorbance UV sont superposées pour un taux de substitution de 1/10 en EpiDMA et 1/8 en PolyDADMAC soit 1/20 de matière active pour l un ou l autre des polymères (voir Figure 7). 46

47 De plus, dans le cas présent, un traitement à 1/20 en matière active est plus efficace qu un traitement à 1/25 en matière active (voir Figure 8 et Tableau 8 pour les correspondances entre matière active et taux de solution commerciale). Eau brute d'hivers qualité "dégradée" Absorbance (m -1 ) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 Taux de traitement optimal Eau brute : UV = 11,71m -1 Turbidité = 126 NFU absorbance pour un taux de substitution en EpiDMA de 1/10 sol commerciale (soit 1/20 de m.a) absorbance pour un taux de substitution en EpiDMA de 1/5 sol commerciale (soit 1/10 de m.a) absorbance pour un taux de substitution en PolyDADMAC de 1/8 sol commerciale (soit 1/20 de m.a) absorbance pour un taux de substitution en PolyDADMAC de 1/4 sol commerciale (soit 1/10 de m.a) référence absorbance UV pour SA + CAP (traitement usine) taux de CAP (ppm) réf Traitement à 1/10 en matière active (cas1) Traitement à 1/20 en matière active (cas2) Figure 8 : Evolution de l'absorbance en fonction du taux de charbon actif pour une eau brute de qualité dégradée dont l absorbance est 11.71m-1 Pour les deux eaux traitées, on observe que les courbes d absorbance UV évoluent de manière parallèle lorsqu on modifie le taux de substitution en polymère. Par conséquent, des extrapolations de courbes pourront être faites pour des valeurs de matière active comprises entre 1/10 et 1/20. Concernant l eau brute de turbidité initiale 126 NFU et d absorbance 11.71m -1 (eau de qualité dégradée), il apparaît que plus on augmente le taux de traitement en polymère plus l absorbance UV de l eau décantée diminue mais plus sa turbidité augmente dans le cas de l utilisation de PolyDADMAC (Figure 9). Par conséquent, pour limiter la détérioration de la décantation, on travaillera avec un taux de substitution en PolyDADMAC supérieur ou égal à 1/6 (compris entre 1/4 et 1/8) ; soit un taux de traitement équivalent en EpiDMA supérieur ou égal à 2/15 en taux commerciaux. Toutefois, concernant l EpiDMA, il ressort qu un excès de polymère à un effet moindre sur la détérioration de la turbidité de l eau décantée, par conséquent il serait possible de travailler à des taux de polymère plus fort : 1/5 de solution commerciale soit 1/10 de matière active (Figure 9). Pour les eaux fortement chargées, le PolyDADMAC permet donc un meilleur abattement de la matière organique que l EpiDMA. Cette différence n est pas visible dans le cas d une eau moyennement chargée. Concernant l élimination des matières en suspensions, on observe le phénomène inverse à savoir que l EpiDMA est plus efficace que le PolyDADMAC à même taux de matière active. Enfin, en cas d excès de polymère, le PolyDADMAC conduit à une détérioration plus rapide de la turbidité que l EpiDMA (Figure 9). 47

48 Turbidité (NFU) taux de CAP (ppm) Turbidité pour un taux de matière active en EpiDMA de 1/20 Turbidité pour un taux de matière active en EpiDMA de 1/10 Turbidité pour un taux de matière active en PolyDADMAC de 1/20 Turbidité pour un taux de matière active en PolyDADMAC de 1/10 Figure 9 : Evolution de la turbidité en fonction du taux de charbon actif pour une eau brute de qualité dégradée Dans le Tableau 11 sont reportés les taux de traitement à mettre en oeuvre de manière à conserver une qualité d eau équivalente à celle du traitement actuel au SA. Les valeurs des taux de CAP sont déterminées par extrapolation sur les courbes présentées Figure 7 et Figure 8. Eau brute Tableau 11. Résultats jar-test sur différents types d eau Type d eau Eté Hiver Bonne Moyenne Dégradée Dégradée Absorbance (m -1 ) <5 7,4 11,71 13,44 Turbidité (NFU) < ph ,09 8,16 8,2 TAC ( F) ,5 20,6 18,4 Température 19 4,4 6 SA (données Taux de SA (ppm) usine) Taux de CAP (ppm) Taux de SA (ppm) EpiDMA Rapport de substitution (sol commerciale) 1/10 1/10 2/15 1/5 1/10 Matière active 1/20 1/20 1/15 1/10 1/20 Taux de CAP (ppm) Taux de SA (ppm) PolyDADMAC Rapport de substitution (sol commerciale) 1/10 1/8 1/6 1/8 1/10 Matière active 1/25 1/20 1/15 1/20 1/25 Taux de CAP (ppm) NB : un excès de polymère conduit à une dégradation de la qualité de la décantation, le taux de traitement devra donc être adapté en fonction de la qualité de la ressource naturelle. NB : un taux de substitution de 2/15 en EpiDMA équivaut à un taux de 1/6 en PolyDADMAC soit une quantité de matière active réelle d environ 1/15 un taux de substitution de 1/10 en EpiDMA équivaut à un taux de 1/8 en PolyDADMAC soit une quantité de matière active réelle d environ 1/20 Il ressort de l étude que l ajout de polymère cationique en substitution d une partie du SA permet de diminuer le taux de traitement du charbon actif d au moins 50% pour une qualité d eau décantée équivalente en absorbance UV. Par souci de simplicité de mise en œuvre, on gardera pour l application industrielle un diminution de 50% du CAP quelque soit le type d eau rencontré. De plus, en comparaison aux résultats obtenus en période chaude, on constate que les taux de traitement en polymère organique peuvent être plus élevés. En effet, alors qu en période chaude le taux de substitution maximal admissible est 48

49 de 1/20 en matière active, le taux de substitution en polymère cationique peut atteindre 1/10 en matière active en période froide sans perturber la turbidité de l eau décantée pour l EpiDMA Analyse économique Au terme des différentes séries de jar-tests une analyse économique est menées afin de quantifier le coût des différents traitements envisagés. Les résultats obtenus sont présentés dans le Tableau 13. Les chiffres sont exprimés en par semaine et le détail des calculs des coûts est porté annexe V. L analyse a été réalisée sur la base du débit nominal de la tranche 2 soit : 2000 m 3 /h d eau traitée. Les taux de traitement (commerciaux) utilisés pour les calculs sont reportés dans le Tableau 12. Tableau 12. Taux de traitement en réactif et coût des réactifs Réactifs prix ( /T) SA 88 ASP EpiDMA 1720 PolyDADMAC 1890 Acide 98 CAP 1270 Type d'eau UV Turbidité SA CAP ASP25 Acide EpiDMA PolyDADMAC Bonne <5 <10 Moyenne 7,4 20 Dégradée Cas 1 Dégradée Cas , Dégradée 13, ,22 41,52 / / ,22 44,57 1/ ,22 44,57 / 1/ ,22 41,5 / / ,22 44,6 1/8 / ,22 44,6 / 1/ / / /15 / / 1/ ,22 16,1 / / ,22 26,8 1/5 / ,22 26,8 / 1/ ,22 21,2 / / ,22 30,3 1/10 / ,22 30,3 / 1/10 Tableau 13. Evaluation du gain économique, (coût par semaine pour traitée de 2000m3/h d eau) Gain par semaine ( ) SA seul EpiDMA PolyDADMAC Type d'eau UV (m -1 ) Turbidité (NFU) Coût /sem Coût /sem différence (%) Coût /sem différence (%) Bonne <5 < , ,3 +19 Moyenne 7, Dégradée Cas 1 11, Dégradée Cas 2 11, Dégradée 13, NB : Ces calculs sont effectués à partir des résultats des jar-tests pour une qualité d eau décantée (turbidité et UV) égale à celle du traitement au SA+CAP. NB : Le faible gain observé pour une eau fortement dégradée n est pas dû au polymère mais au fait qu une dose plus forte en polymère na pas été testée, cette dernière aurait permis de diminuer plus fortement le taux de traitement en CAP. 49

50 Pour une eau de bonne qualité (<5 DOm -1 ), la substitution de 30% du SA par 1/10 de polymère organique se traduit par une augmentation du coût du traitement. Au contraire, pour des eaux de qualité " moyenne " ou "dégradée" le bilan sur l utilisation du polymère devient intéressant économiquement. En effet, les économies sur les réactifs vont respectivement de 34 à 3 % pour l EpiDMA et de 32 à 18% pour le PolyDADMAC. Il apparaît donc que le PolyDADMAC est plus avantageux économiquement que l EpiDMA Consignes de traitement D après les résultats et en fonction du type d eau brute à traiter, des recommandations de taux de traitement à appliquer sur la tranche 2 sont mises en place et portées Tableau 14. Ces consignes permettent de produire une eau de qualité, absorbance UV et turbidité, au moins égale à celle du traitement classique au SA. Tableau 14. Taux de traitement préconisé en fonction du type d eau Qualité de l eau Traitement tranche 1 Traitement tranche 2 SA CAP ASP 25 SA PolyDADMAC EpiDMA CAP ASP25 «Dégradée» «Moyenne» Taux de substitution en sol commerciale de 1/6 Taux de substitution en m.a de 1/15 Taux de substitution en sol commerciale de 2/15 Taux de substitution en m.a de 1/15 Taux préconisé par le jar-test Taux préconisé par le jar-test 0.22ppm 70% du taux de traitement de T1 Taux de substitution en sol commerciale de 1/8 Taux de substitution en m.a de 1/20 Taux de substitution en sol commerciale de 1/10 Taux de substitution en m.a de 1/20 50% du taux de traitement de T1 0.22ppm Les essais sur site auront pour but de vérifier que les taux de traitement déterminés en laboratoire sont bien adaptés à l échelle de l exploitation, ainsi que d observer l influence du polymère sur différents paramètres de l usine. 5.5 RESULTATS ESSAIS SUR SITE DE MORSANG-SUR-SEINE (SEMAINE 12) Déroulement des essais Les essais sur l usine ont débuté avec l ajout de PolyDADMAC. Lundi 20/03/06 : réalisation d un jar-test au SA seul. Détermination du taux de traitement optimal : 120ppm. dissociation du point d injection du SA mise en place d une injection indépendante sur les trois tranches. Dans cette configuration, le temps de contact et de mélange entre le SA et l eau se trouve réduit. Or, en période froide la coagulation est plus difficile et elle nécessite un temps de contact long. La turbidité dans les décanteurs a augmenté. Cette configuration d injection a donc été abandonnée. 50

51 décision de tenter les essais sans dissocier l injection : ajout du polymère en addition à la dose optimale de SA (pas de substitution de 30% du SA). Le but de cette configuration étant de visualiser l effet de l ajout du coagulant organique sur l abattement en UV. Après addition de PolyDADMAC, la turbidité dans le décanteur de la tranche 2 a augmenté. Cette augmentation s explique par le fait qu une surdose en coagulant conduit à un dégradation de la qualité de la décantation. Arrêt de l injection par le personnel d astreinte. Mardi 21/03/06 : La deuxième tentative d ajout du polymère a conduit à une dégradation de la décantation d où l arrêt des essais sur site Analyse des résultats Avant ajout du polymère un bilan qualité d eau a été réalisé afin de pouvoir estimer par la suite l influence du polymère sur divers paramètres. Les résultats obtenus pour l absorbance UV, le COT, le comptage d algue, et la bactériologie sont portés en annexe VI. A cette période de l année, l eau brute est particulièrement chargée en matière organique, bactéries et en algues rendant son traitement difficile. Un suivi de paramètre de la Seine est porté en annexe VII. Pendant la "courte" période d ajout du polymère, il est tout de même apparu une diminution d environ 0.5 DO m -1 de l absorbance UV sur l eau filtrée de la tranche 2 comme l indique la courbe présentée Figure 10. Essais sur site du polymère cationique PolyDADMAC : Evolution de la turbidité de l'eau décantée et de l'absorbance UV de l'eau filtrée Absorbance UV (DOm -1 ) 3 2,5 Arrêt PolyDADMA C UV eau filtrée tranche2 Turbidité eau décantée tranche2 Turbidité (NFU) ,5 Arrêt PolyDADMA Arrêt PolyDADMAC ,5 1 0 Ajout PolyDADMAC Ajout PolyDADMAC Ajout PolyDADMA C 19/03/06 20/03/06 21/03/06 22/03/06 0 Figure 10 : Courbes Topkapi suivi de l'uv de l'eau filtrée tranche 2 et de la turbidité de l'eau décantée tranche 2 51

52 L ajout du polymère, bien que furtif, a eu une influence importante sur l abattement UV. La période d essai n a pas permis d atteindre un régime " stable ", par conséquent, des courbes précédentes nous pouvons tirer uniquement des informations qualitatives et non quantitatives. 5.6 PROBLEMES RENCONTRES LORS DES ESSAIS SUR SITE Les problèmes rencontrés sont uniquement dus aux caractéristiques propres du polymère ainsi qu à la conception de l usine : produit extrêmement visqueux nécessitant d utiliser un matériel adapté au produit pour l injection ; point d injection des coagulants non adapté à la période froide ; en cas de déversement sur le sol, produit difficile à éliminer car il durcit et colle les absorbants habituels (tissus, terre calcinée ) sur la surface où il s est déversé. Il est donc indispensable de placer des bacs de rétention au niveau de tout le dispositif d injection. 5.7 CONCLUSION L utilisation des polymères organiques a un fort intérêt pour l abattement de la matière organique sur des eaux de qualité dégradée et moyenne comme le laissait entrevoir l étude bibliographique. En effet, en présence d une grande quantité de particules en suspension, la formation de complexe MON/polymère est favorisée. L ajout de polymère, EpiDMA ou PolyDADMAC, permet même de diviser par deux les doses de charbon actif en poudre, rendant leur emploi économiquement compétitif par rapport au traitement actuel (SA + CAP). Au terme des différents essais laboratoires, en période de qualité d eau moyenne (Tableau 10) les deux polymères, EpiDMA et PolyDADMAC, ont eu la même efficacité pour un même taux de matière active. Lorsque la qualité de l eau est dégradée, on observe que l EpiDMA, de masse moléculaire plus faible que le PolyDADMAC, permet un meilleur abattement de la turbidité que le PolyDADMAC. Inversement, le PolyDADMAC a un effet plus important que l EpiDMA sur l abattement UV. Il semble donc que les polymères à longues chaînes (haut poids moléculaire) sont plus propices à l élimination de la matière organique. Les essais à l échelle industrielle, ont montré un intérêt technique et économique des polymères cationiques pour l élimination de la matière organique dissoute en clarification d eau de surface. Ce point n était pas mis en avant dans la littérature. L ajout de polymère, comparée à celle du Sulfate d Aluminium, doit tout de même respecter certaines conditions utilisations particulières telles que des temps de contact plus importants et un traitement sans excès de polymère sous risque de détériorer fortement la décantation. Dans le cadre de l étude sur les polymères organiques, les essais ayant été stoppés prématurément, l étude de certains paramètres reste encore à approfondir. En effet, l influence sur la formation potentielle de sous-produits de désinfection cancérigènes (NDMA et THM) n a pu être mis en évidence. De même, l étude économique complète 52

53 sur l ensemble de la filière est manquante car l influence de l utilisation des polymères sur la quantité et la qualité des boues n a pu être réalisée. La tranche 3 de l usine, constituée d un décanteur densadeg et d un premier étage de filtration sable, est la tranche qui fonctionne le moins bien. En effet, la turbidité de l eau filtrée en tranche 3 est toujours légèrement supérieure à celle des deux autres tranches. Afin d optimiser le fonctionnement de cette tranche, il a donc été décidé de tester les coagulants organiques en post-coagulation du Densadeg. 53

54 6. Résultats essais en post-coagulation 6.1 OBJECTIFS DES ESSAIS Les objectifs des essais menés en laboratoire et sur site en post-coagulation sont les suivants : tester l intérêt des polymères cationiques en alternative totale au SA vis à vis de l élimination de la matière organique (suivi de l absorbance UV), des matières en suspension (suivi de la turbidité) ainsi que de la rétention des algues (comptage/dénombrement). réaliser un bilan de l étape de filtration sur l ensemble des filtres tranche 3 (durée des cycles, colmatage, rétro-lavage) 6.2 DEROULEMENT DES ESSAIS AVRIL-MAI La première partie de l étude consiste à déterminer en laboratoire les taux de traitement optimaux pour la post-coagulation. Des essais de coagulation sur filtre avec SA seul, SA + polymères organiques, polymères organiques seuls sont alors menés. Afin de reproduire au mieux les conditions de fonctionnement de l usine, un protocole expérimental particulier est mis en place (cf : annexe VIII). Celui-ci tient compte des temps de contact imposés par la géométrie de l usine et des conditions d exploitation actuelles. Lors de l étude précédente, nous avons noté que l efficacité de l élimination est fortement influencée par le temps de contact entre l eau et le polymère. Lors de l étude en postcoagulation, par manque de temps, nous nous somme limités à la réalisation des essais suivant les possibilités de l usine. Toutefois, il aurait été intéressant de pousser plus loin les investigations et de faire une étude de l influence du temps de contact sur l efficacité de la rétention de la MON et des MES. La deuxième partie des essais consiste à tester les combinaisons optimales directement sur l usine. Le suivi analytique des différents paramètres et la fréquence des analyses durant les essais sont reportés dans le Tableau 15. Tableau 15. Suivi de paramètres de qualité d'eau et de fonctionnement du procédé de clarification durant les essais sur la tranche 3 TRANCHE 3 Eau brute Eau décantée Eau filtrée Turbidité Topkapi Topkapi Topkapi Absorbance UV Topkapi Topkapi Topkapi Al dissous 2/semaine 2/semaine Bactériologie 2/semaine 2/semaine Algues 2/semaine 2/semaine 2/semaine Eau ozonée Eau chlorée Eau du réseau Sous produits 2 analyses * 2 analyses * 2 analyses * NDMA * Les analyses NDMA seront réalisées uniquement pour les taux de traitement en polymère organique les plus élevés 54

55 6.3 RESULTATS ESSAIS EN LABORATOIRE Les essais de coagulation sur filtre menés du 03/04/06 au 13/04/06 ont été réalisés sur de l eau décantée en sortie du Densadeg suivant le protocole porté en annexe VIII Détermination du taux de traitement optimal Dans un premier temps, les essais ont porté sur la détermination du taux de traitement optimal en Sulfate d Aluminium seul. Puis, dans un second temps : 30% du taux de traitement utilisé sur l usine a été remplacé par du polymère organique ; différents taux de substitution ont alors été testés 100% du taux de traitement utilisé sur l usine a été remplacé par du polymère organique ; différents taux de substitution ont également été testés. Tout les résultats des essais laboratoire sont portés en annexe IX Traitement au Sulfate d aluminium seul Les essais de coagulation sur filtre sont réalisés pour des doses croissantes de sulfate d aluminium de 0 à 15 ppm. Les résultats sont portés sur la Figure 11. Turbidité (NFU) Absosbance UV (DO/m) 2,0 4 1,5 3 1,0 2 Turbidité UV filtré 45µm UV sortie filtre sable 0,5 1 0, Figure 11 : Evolution des paramètres de qualité de l'eau en fonction du taux de traitement en SA Entre 0 et 5ppm de SA une diminution de la turbidité est observée. Au delà de 7.5ppm en SA, les résultats obtenus par rapport à la turbidité sont très satisfaisants mais aucune amélioration n est à noter pour des doses de SA supérieures. Par conséquent, le taux de traitement optimal pour l abattement de la matière en suspension est d environ 7.5ppm. Concernant l absorbance UV, les essais en laboratoire ne permettent pas d observer une influence importante sur l abattement de la matière organique dissoute. Enfin, les résultats obtenus en laboratoire sont en accord avec les taux de traitement actuellement mis en œuvre sur l usine. En effet, en post-coagulation le taux de SA est de 6 à 7ppm. Il semble donc que le protocole utilisé pour réaliser les essais soit correct et 55

56 représentatif du procédé de post-coagulation sur le tranche 3 de l usine de Morsang-sur- Seine. Pour un taux de traitement de 6ppm : Eau filtrée usine Eau filtrée laboratoire Turbidité (NFU) Absorbance UV (m-1) Les valeurs de turbidité et d absorbance UV obtenues lors des essais laboratoire ne correspondent pas exactement aux valeurs sur l usine. Par conséquent, les essais laboratoire ne donnent qu une idée de l influence qualitative des taux de traitement ; les valeurs obtenues ne permettant pas de faire d analyse quantitative Traitement : 70% SA + taux de polymère variable Les essais ont été réalisés avec 70% du taux des traitement en SA de l usine et pour des taux de substitution en polymère compris entre 1/20 et 1/5 pour le PolyDADMAC et 1/16 et 1/4 pour l EpiDMA Les résultats obtenus sont portés sur la Figure 12 et dans le Tableau 16. Turbidité (NFU) 0,70 0,60 0,50 Détermination des taux de traitement en fonction du polymère SA + PolyDADMA C SA + EpiDMA SA 0,40 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Matière active (ppm) Figure 12 : Suivi de la turbidité de l'eau filtrée en fonction du taux de traitement en SA et polymère organique En comparaison avec l utilisation de SA seul, l ajout de polymère cationique permet une meilleure diminution de la turbidité de l eau filtrée dans le cas de l utilisation d EpiDMA. En effet, la turbidité de l eau filtrée après coagulation au SA seul est d environ 0.56NFU alors qu elle atteint 0.45NFU avec ajout d EpiDMA. Concernant le PolyDADMAC, il apparaît qu un excès de polymère conduit très rapidement à une détérioration de la qualité de la filtration. Ce phénomène n a pas été observé avec l utilisation de l EpiDMA. De plus, l EpiDMA permet une meilleure élimination des matières en suspension que le PolyDADMAC pour les qualités d eau testées. 56

57 Tableau 16. Suivi des paramètres de qualité de l'eau en fonction du taux de polymère (traitement polymère seul) PolyDADMAC EpiDMA Concentration SA (ppm) 4,2 4,2 4,2 4,2 4,2 Taux substitution sol 1/20 1/15 1/10 2/15 1/5 commerciale (0.06) (0.08) (0.12) (0.16) (0.24) (ppm de m.a) UV (DO m -1 ) filtrée 45µm 2,93 2,90 3,02 2,82 2,83 3,49 3,41 3,49 3,34 3,37 Al dissous (mg/l) 0,08 0,09 0,09 0,09 0,09 AL total (mg/l) 0,25 0,26 0,26 0,26 0,25 Concentration SA (ppm) 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 Taux substitution sol 1/16 1/12 1/8 1/6 1/4 commerciale (0.131) (0.175) (0.262) (0.350) (0.525) (ppm de m.a) UV (DO m -1 ) filtrée 45µm 2,50 2,49 2,47 2,44 2,40 2,97 2,97 2,93 2,86 2,78 Al dissous (mg/l) 0,08 0,08 0,09 0,09 0,09 AL total (mg/l) 0,27 0,28 0,26 0,22 0,22 Concernant l absorbance UV, plus on augmente les taux de traitement en EpiDMA, plus l abattement UV est importante. Ces résultats sont en accords avec ceux obtenus lors de la première étude en coagulation. Enfin, dans la configuration où le traitement est assuré par un mélange SA + polymère, la quantité de polymère ajoutée (4.2ppm) est moindre par rapport à celle utilisée pour un traitement au SA seul (6ppm). Par conséquent, la quantité d aluminium en sortie des filtres à sable est plus faible. La teneur en l aluminium dans l eau potable étant un des paramètres du traitement à optimiser, l ajout de polymère permet de parvenir à des résultats satisfaisants Traitement polymère organique seul Les essais suivants ont été réalisés pour un remplacement total du SA par les polymères organiques. Les taux de substitution testés vont de 1/20 à 1/5 pour la solution commerciale de PolyDADMAC et de 1/16 à 1/4 pour la solution commerciale d EpiDMA soit des taux de matière active allant de 1/50 à 1/10. Les résultats obtenus sont portés Figure 13 et Tableau 17. Turbidité (NTU) 0,8 Détermination du taux de traitement optimal en polymère seul 0,7 0,6 0,5 PolyDADMAC EpiDMA 0,4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Matière active (ppm) Figure 13 : Suivi de la turbidité de l'eau filtrée en fonction du taux de traitement en polymère organique 57

58 Un excès de polymère organique (EpiDMA et PolyDADMAC) conduit à une détérioration de la qualité de la coagulation sur filtre. La réactivité de ce phénomène semble beaucoup plus importante lors d un surdosage en PolyDADMAC en comparaison avec l EpiDMA (Figure 13). Tableau 17. Suivi des paramètres de qualité de l'eau en fonction du taux en polymère organique Taux substitution PolyDADMAC (sol commerciale) 1/20 1/15 1/10 2/15 1/5 PolyDADMAC EpiDMA UV (DO m -1 ) filtrée 45µm 2,53 2,44 2,41 2,27 2,03 3,12 3,06 3,09 2,97 2,94 Al dissous (mg/l) 0,07 0,07 0,08 0,07 0,07 AL total (mg/l) 0,18 0,19 0,21 0,20 0,21 Taux substitution EpiDMA (sol commerciale) UV (DO m -1 ) 1/16 1/12 1/8 1/6 1/4 filtrée 45µm 2,709 2,656 2,636 2,519 2,44 3,24 3,25 3,18 3,17 3,15 Al dissous (mg/l) 0,07 0,07 0,08 0,08 0,08 AL total (mg/l) 0,20 0,21 0,20 0,20 0,20 Comme précédemment, l ajout de doses croissantes de polymère entraîne une diminution de l absorbance UV. Concernant la teneur en aluminium dans l eau, sa valeur reste quasiment constante (influence de l incertitude de mesure) quelque soit le taux de polymère utilisé. Dans cette configuration, 100% de remplacement du SA, la teneur en aluminium en sortie de filière est minimisée et correspond à l excès de SA lors de la coagulation. 6.4 ANALYSE ECONOMIQUE L utilisation de polymère organique en post-coagulation a pour but d améliorer la rétention vis-à-vis des matières en suspension et dissoutes de l eau. Leur emploi en substitution partielle ou totale du Sulfate d Aluminium a néanmoins un coût non négligeable. Sur la Figure 14 sont reportés les surcoûts induits par l utilisation de ces réactifs ; le détail des calcul est en annexe X. Tableau 18. Données produits et fonctionnement usine Prix des réactifs Sulfate d'aluminium 0,092 /kg EpiDMA 2.08 /kg PolyDADMAC 2.08 /kg Données usine Débit tranche m3/h SA postcoagulation 6 ppm 58

59 Coût global Comparaison des coûts de traitement ( /sem) ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Taux de matière active en polymère (ppm) SA seul SA + PolyDADMAC PolyDADMAC seul SA + EpiDMA EpiDMA seul Figure 14: Comparaison des coût de traitement en fonction du taux de matière active en polymère organique L utilisation de polymère même à très faible taux de traitement induit inévitablement un surcoût par rapport au traitement au SA seul. Nous insisterons donc sur le fait que leur mise en place au niveau de la post-coagulation n est pas faite pour diminuer les coûts de traitement mais bien pour améliorer la qualité de l eau produite. Pour commencer à avoir une diminution des coûts de traitement, il faudrait travailler avec des taux de traitement en polymère de l ordre de 0.05ppm de matière active pour des traitements SA + polymère et de 0.1ppm pour les traitements au polymère seul. Dans ces conditions, les essais laboratoire ont montré que la qualité de l eau produite été médiocre, toutefois, de tels taux seront tout de même testés sur l usine. 6.5 CONCLUSION DES ESSAIS LABORATOIRE Au cours des différentes conditions opératoires testées, aucun phénomène de colmatage de surface ou en profondeur n a été observé au niveau du filtre à sable ; un suivi du débit d eau filtrée au cours du temps ayant été réalisé. Suite aux essais en laboratoire peu représentatifs de la qualité réelle de l eau en sortie de filtre, il a été décidé de tester directement sur l usine de Morsang-sur-Seine les conditions de traitement portées dans le Tableau 19. Tableau 19. Taux de traitement appliqués sur l'usine de Morsang-Sur-Seine PolyDADMAC EpiDMA 70% SA + 1/8 PolyDADMAC 1/8 PolyDADMAC (1/20 de m.a) (1/20 de m.a) 70% SA + 1/10 EpiDMA 1/10 EpiDMA (1/20 de m.a) (1/20 de m.a) 70% SA + 1/24 PolyDADMAC (1/60 de m.a) 1/24 PolyDADMAC (1/60 de m.a) 70% SA + 1/30 EpiDMA 1/30 EpiDMA (1/60 de m.a) (1/60 de m.a) NB : Pour un traitement initial à 6ppm de SA, 1/20 de m.a équivaut à 0.3ppm de m.a et 1/60 de m.a correspond à 0.1ppm de m.a. 59

60 Le taux de traitement à 1/20 de matière active correspond au traitement optimum en polymère pour l élimination de la MO et des MES. A un taux de traitement de 1/60 en matière active, le coût du traitement, en ne considérant uniquement que les réactifs, est sensiblement le même que celui au SA seul. 6.6 RESULTATS ESSAIS SUR SITE Déroulement des essais Suite à des problèmes techniques survenus sur le site, les essais se limiteront à l ajout de polymères seul en post-coagulation. Afin de mieux apprécier l impact des polymères sur la filtration, chaque taux de traitement sera mis en place durant une semaine. En effet, le lavage des filtres étant programmé toutes les 24 à 28h (ou encore par dépassement de 2.0 mce en perte de charge), une période de 7 jours permettra une meilleure visualisation des effets des polymères sur la filtration. Tableau 20. Planning des essais Semaines /04/06 au 29/05/06 1/8 PolyDADMAC (1/20 de m.a) Semaines /05/06 au 09/05/06 1/24 PolyDADMAC (1/60 de m.a) Semaines /05/06 au 11/05/06 Elimination de l excédent de PolyDADMAC Semaines /05/06 au 22/05/06 1/10 EpiDMA (1/20 de m.a) Semaines /05/06 au 29/05/06 1/30 EpiDMA (1/60 de m.a) 11/05/06 au 15/05/06 6 ppm de SA Suivi des paramètres de qualité de l eau L évaluation de l impact des polymères sur la filière de traitement se fait au travers des paramètres suivants : turbidité, absorbance UV, dénombrement d algues, présence de sous-produits de désinfection, analyse bactériologique Influence sur la turbidité Le logiciel TopKapi permet d accéder aux mesures en continu de la turbidité en différents points de l usine. L extraction des données de turbidité en fonction du temps de filtration est présentées sur la Figure 15 et la Figure

61 Turbidité (NFU) 0,3 0,25 0,2 Turbidité côté pair SA seul Turbidité côté pair avec polymère 0,15 0,1 Représentation d'un cycle de filtration de 26h Figure 15 : Zoom sur un cycle de filtration avec et sans polymère Débit (m 3 /h) Débit tranche 3 Turbidité eau décantée Turbidité filtres pairs Turbidité filtres impairs Turbidité (NFU) 3 2, , SA 6ppm 1 0, /04/06 17/04/06 01/05/06 15/05/06 29/05/06 PolyDADMAC 0,3ppm de m.a PolyDADMAC 0,1ppm de m.a PolyDADMAC 0,3ppm de m.a EpiDMA EpiDMA 0,1ppm 0,3ppm de m.a de m.a Figure 16 : Evolution de la turbidité avec et sans polymère Lors du traitement au SA seul, la turbidité à la sortie des filtres oscille au cours du temps ; chaque pic sur la courbe correspondant à un cycle de filtration (Figure 15). L ajout de polymère cationique, PolyDADMAC et EpiDMA, permet de lisser les valeurs de turbidité en sortie de filtres sable. En effet, il n apparaît plus de variation de la turbidité en fonction du temps, le phénomène de percée du filtre en fin de maturation est donc atténué. Les valeurs de turbidité moyenne en sortie des filtres sur la période des essais sont portées dans le Tableau

62 Tableau 21. Analyse de la turbidité en sortie des filtres sable Turbidité moyenne sortie filtre pair (NFU) Turbidité moyenne sortie filtre impair (NFU) Turbidité moyenne eau décantée (NFU) Gain abattement coté pair (%) Gain abattement coté impair (%) SA seul 0,19 0,21 0, PolyDADMAC 0,3 ppm de m.a 0,15 0,16 0, PolyDADMAC 0,1 ppm de m.a 0,17 0,17 0, PolyDADMAC 0,1 ppm de m.a diminution du taux de SA 0,20 0,22 0, EpiDMA 0,3 ppm de m.a 0,16 0,19 0, EpiDMA 0,1 ppm de m.a 0,13 0,15 0, L emploi de polymère cationique conduit à une faible diminution de la valeur nominale de la turbidité en sortie de filtre, de l ordre de 0.01 à 0.05 NFU, que ce soit pour un traitement à 0.3 ppm ou 0.1 ppm en m.a. Les résultats obtenus avec 0.1 ppm de m.a et une diminution du taux de traitement en SA sont à considérer avec précaution. En effet, lors de tout changement de taux de traitement, la filière est déstabilisée ce qui peut conduire à une hausse de la turbidité sur l eau filtrée. Le temps d analyse n étant pas suffisamment long après le changement, les valeurs peuvent être sur-évaluées. Concernant le gain d abattement entre l eau décantée et l eau filtrée, un taux de traitement à 0.3 ppm en m.a de polymère est aussi efficace que le sulfate d aluminium seul (75%) avec un abattement légèrement supérieur pour l EpiDMA (80%). Le traitement à 0.1 ppm en m.a en polymère, ne permet pas un abattement aussi important de la turbidité ( 60-68%). Les valeurs obtenues à 0.1 ppm en m.a de polymère se rapprochent des valeurs obtenues sans post-coagulation. Enfin, il ressort de cette étude que le côté impair des filtres à sables fonctionne moins bien que le côté pair quelque soit le traitement utilisé. Conclusion : Meilleur abattement de la turbidité pour 0.3 ppm de polymère avec un effet plus important de l EpiDMA par rapport au PolyDADMAC Influence sur l absorbance UV L absorbance UV met en évidence la présence de MON qui sont potentiellement responsables, après l étape de désinfection, de l apparition de sous-produits de désinfection cancérigènes. Les valeurs de l absorbance UV sont à utiliser avec précautions. En effet, il semblerait que l appareil se soit encrassé au cours de la période d essai. Toutefois, si avec les taux de traitement appliqués aucune amélioration flagrante de l absorbance UV n est observée, il ressort également qu il n y a pas de forte dégradation de ce paramètre. Ces résultats sont en accords avec les prédictions des essais en laboratoire. L utilisation de polymère en post-coagulation, c est à dire à de faible taux, n a donc pas un fort intérêt en ce qui concerne l abattement de la MON. Conclusion : pas d effet notoire des polymères pour les taux de traitement utilisés et dans les conditions de fonctionnement testées (post-coagulation). 62

63 Absorbance UV (DO m -1 ) Eau brute Eau filtrée tranche Nettoyage sonde 2 1 SA 0 6ppm 03/04/06 17/04/06 01/05/06 15/05/06 29/05/06 PolyDADMAC 0,3ppm de m.a PolyDADMAC 0,1ppm de m.a PolyDADMAC 0,3ppm de m.a EpiDMA 0,3ppm de m.a Figure 17 : Suivi de l'absorbance UV en fonction du taux de traitement EpiDMA 0,1ppm de m.a Suivi bactériologique Au cours des essais, un suivi des bactéries Eschérichia Coli, Coliformes, Entérocoques et SASR a été réalisé au niveau de l eau brute et de l eau filtrée. Les résultats obtenus sont portés sur la Figure 18. Aucun effet notoire de l utilisation des polymères n a été observé concernant la rétention des bactéries Eschérichia Coli, Coliformes et Entérocoques. Le suivi des SASR montre une efficacité incomplète des étapes de coagulation/filtration, de la tranche 3 de cette usine, sur la rétention de ces spores. En effet, alors que la recommandation est de 0 spore dans 100ml d eau filtrée, toutes les analyses effectuées sur eau filtrée mettent en évidence la présence de plusieurs colonies de SASR. L utilisation de polymères cationiques n a en rien amélioré la rétention de ces spores. Conclusion : Les polymères cationiques, utilisés en post coagulation, n ont pas d incidence sur la rétention des bactéries. 63

64 Evolution des bactéries coliformes dans la filière de traitement Coliformes (NPP/100ml) Eau brute Eau filtrée 27/04/06 : PolyDADMAC 0,3ppm de m.a 02/05/06 : pas de postcoagulation 04/05/06 : PolyDADMAC 0,1ppm de m.a 09/05/06 : PolyDADMAC 0,1ppm de m.a 11/05/06 : PolyDADMAC environ 0,3ppm de m.a 15/05/06 : SA 6ppm 18/05/06 : EpiDMA 0.3ppm de m.a 22/05/06 : EpiDMA 0.3ppm de m.a 24/05/06 : EpiDMA 0.1ppm de m.a 29/05/06 : EpiDMA 0.1ppm de m.a Evolution des Escherichia coli dans la filière de traitement Evolution des Entérocoques dans la filière de traitement Coliformes (NPP/100ml) Eau brute Eau filtrée Coliformes (NPP/100ml) Eau brute Eau filtrée Evolution des SASR dans la filière de traitement Coliformes (NPP/100ml) Eau brute Eau filtrée Figure 18 : Suivi bactériologique Suivi des algues Les polymères cationiques sont pressentis pour améliorer l'abattement en algue au cours de la clarification de l eau. Cette caractéristique a été confirmé durant l étude mené en période chaude [1]. Durant cette période, le PolyDADMAC a été légèrement plus performant que l EpiDMA en coagulation. Afin d étudier ce paramètre, un comptage des algues est réalisé sur l eau brute, l eau décantée et l eau filtrée. 64

65 Tableau 22. Evolution de l'abattement en algues (cellules/ml) le long de la filière Dates Eau brute Eau abattement décantée / EB (%) Eau filtrée abattement / ED (%) 27/04/ , ,7 Traitements PolyDADMAC 0,3ppm de m.a 02/05/ , ,9 Pas de post-coagulation 04/05/ , ,6 09/05/ , ,7 PolyDADMAC 0,1ppm de m.a PolyDADMAC 0,1ppm de m.a + diminution du traitement SA 11/05/ , ,3 SA 6ppm 15/05/ , ,7 PolyDADMAC 0,3ppm de m.a 18/05/ , ,3 EpiDMA 0,3ppm de m.a 22/05/ , ,5 EpiDMA 0,3ppm de m.a 24/05/ , ,6 EpiDMA 0,1ppm de m.a 29/05/ , ,9 EpiDMA 0,1ppm de m.a Remarques Apparition de fines et longues cyanobactéries filamenteuses Sans post-coagulation, l action des filtres à sable n entraîne aucune élimination supplémentaire des algues, celles-ci traversent la couche de sable sans y être retenues. Lorsque le traitement en coagulation est adapté et suffisamment fort, la décantation permet un abattement quasi systématique de 98% des algues. Après post-coagulation et filtration, l abattement par rapport à l eau brute monte jusqu à 99.5% quelque soit le taux de traitement en PolyDADMAC appliqué. Lors des essais avec EpiDMA, une nouvelle espèce d algue est apparue en Seine. Ces algues, des cyanobactéries filamenteuses, sont constituées d un tube contenant plusieurs cellules algales. Or, le dénombrement correspond au comptage des cellules algales ; par conséquent, la présence de ces algues amplifie fortement le dénombrement algal. Lors des essais avec EpiDMA les abattements sont donc moindres, d autant plus que ces algues sont peu retenues par les filtres. On notera néanmoins que l EpiDMA n a pas permis d améliorer la rétention sur ces algues Conclusion : Concernant l élimination des algues, les deux taux de traitement en PolyDADMAC ont eu la même efficacité que celle observée avec SA seul. Les essais avec EpiDMA ne permettent pas de conclure Evaluation de la potentialité de formation de sous-produit de désinfection THM (Trihalométhane) et NDMA (N-Nitroso-diméthyl-amine) D après l approche bibliographique, l une des principales limites à l utilisation des polymères cationiques est leur risque potentiel de formation de sous-produits de chloration THM et NDMA. L étude précédente [1] a porté sur la formation potentielle de composés organo-halogénés de types THM : bromoforme, dichlorobromométhane, chloroforme et dibromochlorométhane par réaction entre le chlore et la MON. Il en est ressorti que les polymères cationiques conduisaient à la formation d une quantité plus faible de THM que l utilisation de SA seul car ils permettent une élimination de la MON en amont de la chloration supérieure à celle du SA. Au cours de cette étude nous ne reviendrons donc pas sur ces conclusions. 65

66 Concernant la formation des NDMA, composés cancérigènes, elle est directement liée à la présence des polymères organiques. En effet, les NDMA peuvent provenir : des résidus de monomère mélangés au polymère de fractionnement du polymère au cours de la chloration. Actuellement cette famille de composés ne fait l objet d aucune norme, toutefois, d autres pays comme le Canada ou l Etat de Californie (USA) ont établi des seuils de concentration acceptable respectivement de : 9 ng/l et 10 ng/l pour NDEA et NDMA. Durant les essais sur la tranche 3 de l usine de Morsang-sur-Seine, des analyses de NDMA et dérivés ont été réalisées sur 3 types d eau : eau ozonée : point zéro de l analyse, en effet les études précédentes ont montré que ces sous-produits se forment lors de la chloration et non de l oxydation à l ozone (EO) eau chlorée (EC) eau du réseau, par souci de transparence auprès des organismes gouvernementaux (DASS). Ces analyses ont été effectuées pour le taux de traitement en polymère le plus fort, à savoir 0.3 ppm de m.a et pour chacun des polymères testés sur site. Les rapports d analyses sont portés en annexe XI. Tableau 23. Suivi de sous-produit de chloration de la famille des NDMA PolyDADMAC Eau du Détermination EO EC réseau EO EpiDMA EC Eau du réseau N-Nitroso-diméthyl-amine (NDMA) (ng/ml) <0.015 <0.015 <0.015 <0.015 <0.015 <0.015 N-Nitroso-méthyléthyl-amine (NMEA) (ng/ml) <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 N-Nitroso-diéthyl-amine (NDEA) (ng/ml) <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 N-Nitroso-dipropyl-amine (NDPA) (ng/ml) <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 N-Nitroso-pipéridine (NPIP) (ng/ml) <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 N-Nitroso-pyrolidine (NPYR) (ng/ml) <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 N-Nitroso-morpholine (NMOR) (ng/ml) <0.06 <0.06 <0.06 <0.06 <0.06 <0.06 N-Nitroso-dibutyl-amine (NDBA) (ng/ml) <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 Les résultats ne mettent pas en évidence la formation de sous-produit lors de chloration. En effet, les valeurs obtenues pour les trois eaux testées avec PolyDADMAC sont toutes en dessous du seuil de détection analytique. Il est intéressant de noter que les seuils de détection analytique sont actuellement de l ordre de 15ng/L pour la NDMA, voir supérieurs pour les composés de la même famille que la NDMA. Or, les réglementations canadienne et californienne recommandent des taux de NDMA et NDEA dans l eau potable inférieurs à 10ng/L. Enfin, d un point de vu sanitaire, il a été établi que les risques de contracter un cancer étaient de 10-6 pour une eau à 0.7ng/L en NDMA, 0.2ng/L en NDEA ou encore 6ng/L en N-nitroso-n-butylamine (US EPA 2004 [6] ). De telles concentrations ne peuvent pas être mesurées actuellement, c est pourquoi à ce jour aucune réglementation concrète n a encore été établie. Conclusion : Pas de risques identifiés de formation de NDMA concernant l utilisation de polymères en post-coagulation, tant que le taux de traitement ne dépasse pas 0.3 ppm en m.a. 66

67 6.7 SUIVI DES PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT DE L USINE Impact des polymères sur le colmatage des filtres Durant les essais avec PolyDADMAC, la tranche 2 de l usine était arrêtée, la tranche 3 fonctionnait à m 3 /h. Pour l EpiDMA, la tranche 2 de l usine a été remise en fonctionnement par conséquent, le débit de la tranche 3 a diminué : 2000 m 3 /h. La monté en charge des filtres dépendant fortement du débit de fonctionnement de l usine, aucune comparaison entre les résultats avec PolyDADMAC et EpiDMA ne pourra ainsi être faite. L allure des cycles de filtration côté pair et impair étant identique, seuls les résultats côté impair sont présentés sur la Figure 19 et la Figure 20. Débit (m 3 /h) /04/06 24/04/06 PolyDADMAC 0,3ppm de m.a 01/05/06 08/05/06 Arrêt total de la PolyDADMAC post-coagulation 0,1ppm de m.a Perte de charge (mce) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Débit tranche 3 Perte de charge filtre 31 Perte de charge filtre 33 Figure 19 : Suivi des pertes de charge des filtres côté impair avec PolyDADMAC Sans post-coagulation, la montée en charge des filtres est très rapide (<24h). L adjuvant de floculation, l ASP 25, n est plus retenu dans les flocs et entraîne un colmatage en surface des filtres. La perte de charge obtenue après lavage, est plus importante que dans les autres cas ce qui signifie que le lavage des filtres est plus difficile (annexe XII). Lors du traitement au SA seul, les filtres sable sont lavés toutes les 24h car la turbidité en sortie augmente (phénomène de percée des filtres). L ajout de 0.3 ppm de m.a en PolyDADMAC entraîne une légère augmentation de la montée en charge des filtres. Ces derniers sont lavés toutes les 24h sans atteindre la perte de charge maximale admissible de 2,0 mce et sans percer. Pour un taux de m.a de 0.1 ppm, la montée en charge des filtres est plus rapide qu avec 0.3 ppm de polymère. L ASP 25 est donc moins bien retenu dans les flocs. Toutefois, les lavages permettent de bien éliminer le colmatage (annexe XII). Lors de l utilisation d EpiDMA, les cycles de filtration ont été allongés à 40h. Durant la période des essais, les filtres ont été lavés au temps et non à la perte de charge. L ajout d EpiDMA, comparé au SA seul, conduit à une diminution du colmatage des filtres. En effet, on constate une réduction des valeurs maximales de perte de charge en fin de filtration avec 0.3 ppm d EpiDMA pour des cycles de filtration plus longs et un débit au m 2 plus important. Concernant le taux de traitement à 0.1 ppm, le débit de la tranche a diminué de 500m 3 /h ce qui rend les comparaisons difficiles. Toutefois, il semblerait que l emploi de 0.1ppm d EpiDMA, n entraîne pas d augmentation du colmatage par rapport à 0.3 ppm à l inverse du PolyDADMAC. 67

68 Débit (m 3 /h) m 3 /m m 3 /m m 3 /m , ,5 1 0,5 débit tranche 3 Perte de charge filtre 31 Perte de charge filtre /05/06 15/05/06 22/05/06 29/05/06 PolyDADMAC SA EpiDMA EpiDMA 0,3ppm de m.a 6ppm 0,3ppm de m.a 0,1ppm de m.a Figure 20 : Suivi des pertes de charge des filtres côté impair avec EpiDMA Conclusion : L ajout de polymère, PolyDADMAC et EpiDMA, à un taux de traitement de 0.3 ppm permet de limiter le colmatage des filtres, soit d accroître les temps de filtration avec une efficacité comparable pour la rétention des MES. Pour un traitement à 0.1 ppm, le colmatage avec PolyDADMAC est important mais totalement réversible. De plus, aucune détérioration de la qualité de l eau filtrée n est observée Impact des polymères sur la durée des cycles de filtration D après les courbes portées en annexe XIII représentant la montée en charge moyenne dans chaque filtre en fonction du traitement, il est possible de prévoir le temps de filtration nécessaire pour atteindre 2m.c.e dans le filtre. Ces temps ne sont que des approximations et ne représentent pas la réalité. En effet, il est possible que des phénomènes de percée des filtres apparaissent anticipant les lavages. Les valeurs portées dans le Tableau 24 sont obtenues par extrapolation des courbes de pertes de charge en fonction du temps. Tableau 24. Extrapolation des temps de filtration pour atteindre 2mce en perte de charge dans les filtres Temps pour atteindre 2 mce pour chaque filtre (h) Production moyenne moyenne tranche 3 (m 3 /m 2 ) SA seul 67, ,2 57, PolyDADMAC à 0,3ppm de m.a PolyDADMAC à 0,1ppm de m.a 55 60, ,7 45,8 41,9 38, Sans post-coagulation EpiDMA à 0,3ppm de m.a 88,6 78,8 73,6 112, EpiDMA à 0,1ppm de m.a 94, ,6 190,

69 La post-coagulation en sortie du densadeg est une étape obligatoire. En effet, sans postcoagulation les cycles de filtration sont relativement courts (<20h) car l adjuvant de coagulation (ASP25) n est pas totalement retenu dans les boue et vient colmater les filtres à sable. D un point de vu théorique, si on ne tient compte que de la perte de charge dans les filtres, les cycles de filtration les plus longs sont obtenus avec le SA de 58 à 75h, suivi du PolyDADMAC à 0.3ppm de 46 à 61h et enfin le PolyDADMAC à 0.1ppm de 39 à 47 h pour un débit d eau traitée de 2500 à 3000 m 3 /h. Toutefois dans la pratique, les cycles de filtration avec SA seul sont inférieurs à ceux théoriques car on constate une percée des filtres bien avant d atteindre 2m.c.e en perte de charge. Un traitement à 0.3ppm ou 0.1ppm en PolyDADMAC permet donc, pour une qualité d eau en sortie comparable à celle d un traitement au SA concernant le paramètre de turbidité, d allonger le temps des cycles de filtration, même si la perte de charge est supérieure à temps de filtration égal. Concernant l EpiDMA, les temps de filtration les plus long sont obtenus pour le traitement le plus faible soit 0.1 ppm de m.a. Durant les essais de filtration en 40h, aucun phénomène de percée des filtres n a été observé. Conclusion : les deux polymères permettent un colmatage progressif des filtres avec une rétention efficace de la turbidité et un allongement des temps des cycles de filtration quelque soit le taux de traitement appliqué. Les cycles de filtration les plus longs sont obtenus avec 0.3 ppm et 0.1 ppm en EpiDMA suivi par le traitement à 0.3ppm de PolyDADMAC 6.8 CONCLUSION Tableau 25. Bilan des résultats PolyDADMAC EpiDMA 0.1ppm 0.3ppm 0.1ppm 0.3ppm Turbidité x x x Absorbance UV x x x x Bactériologie x x x x Algues x x THM / NDMA x x x x Durée des cycles de filtration x x x x X : performant pour l élimination des paramètres cités allongement des cycles de filtration En sortie du Densadeg, du fait de la forte teneur en adjuvant de floculation ASP25, une étape de post-coagulation est nécessaire afin de limiter le colmatage superficiel des filtres sable. Actuellement, un taux de 6 ppm de SA est utilisé lors de cette étape. Dans ces conditions, la montée en charge des filtres est lente, toutefois leur lavage est fréquent car ils percent assez rapidement. Lors des essais avec PolyDADMAC et EpiDMA aucune percée n a été observée pour les temps de filtration étudiés. Le colmatage engendré est progressif et reflète une bonne rétention de la matière au sein du milieu. 69

70 L ajout de polymère cationique a été réalisé à deux taux de traitement : 0.3 et 0.1ppm en matière active. Dans le cas d un traitement à 0.3ppm en m.a, les temps des cycles de filtration sont allongés par rapport au SA seul, pour un abattement en MES identique à celui du SA dans le cas du PolyDADMAC et supérieure à celui du SA pour l EpiDMA. Concernant le traitement à 0.1ppm en m.a, le temps des cycles de filtration est supérieur à celui avec SA seul mais pour une rétention des MES inférieure à celui du SA dans le cas du PolyDADMAC et quasiment identique pour l EpiDMA. Concernant l élimination des bactéries et des algues, les polymères sont aussi efficaces que le SA. Enfin, dans le cas de la post-coagulation, où les taux de traitement sont faibles, aucun risques de formation de NDMA ou autres molécules de la même famille n a été identifié tant que le traitement ne dépasse pas 0.3 ppm de matière active. A la vu des résultats portés Tableau 25, les traitements les plus adaptés à la période des essais sont : 0.3ppm de PolyDADMAC et 0.1 ppm en EpiDMA. Sachant qu un traitement à 0.1ppm en matière active équivaut, d un point de vu coût des réactifs, à un traitement à 6ppm en SA, le traitement à 0.1ppm d EpiDMA est économiquement le plus attractif. Toutefois, les cycles de filtration étant allongés dans tout les cas envisagés, le gain en temps et en eau de lavage induit par les traitements à 0.3ppm peuvent compenser le sur-coût dû aux réactifs. Il ressort donc de cette étude que l emploi des polymères cationiques en post-coagulation d un Densadeg est possible et permet de limiter les problèmes de percée rencontrés avec le SA. Toutefois, d un point de vu économique et qualitatif son utilisation est peu intéressante. Leur emploi semble donc limité à des actions ponctuelles c est à dire durant des périodes d eau dégradée ou sur des usines présentant des problèmes spécifiques comme des non conformités en aluminium dissous. 70

71 7. Bilan économique sur une année Sur la base du bilan économique de l année 2005 établi par ESP pour l usine de Morsangsur-Seine, et d après les résultats de différentes études menées précédemment par le CIRSSE, il est possible d estimer les coûts de traitement induits par les polymères cationiques pour une année de fonctionnement sur l ensemble de l usine. 7.1 HYPOTHESES DE CALCUL Les hypothèses utilisées pour effectuer les calculs sont les suivantes : débit total (T1+T2+T3) = m 3 /an 5300 m 3 /h substitution de 30% du SA par du polymère taux de remplacement pour les polymères Qualité de l eau moyenne dégradée Turbidité (NFU) < 50 Absorbance UV (m -1 ) 5-10 < 10 Taux de matière active (ppm) 1/20 1/15 PolyDADMAC (ppm) 1/8 1/6 EpiDMA (ppm) 1/10 2/15 taux de CAP à appliquer par rapport au traitement conventionnel en fonction du polymère et de la qualité de l eau Qualité de l eau moyenne dégradée EpiDMA 50 % 50% PolyDADMAC 50% 10% D après le bilan 2005 sur l usine de Morsang-sur-Seine, l ajout de CAP au traitement sur l usine est effectué d octobre à mai. Durant cette période, on définit la qualité de l eau comme : janvier février mars avril mai juin juillet août sept oct nov déc Eau dégradée Eau moyenne Eau bonne : pas de CAP Eau moyenne L étude de l ajout de polymère, d un point de vu économique, sera menée sur deux postes : les réactifs pour le traitement et la production de boue. Les taux de traitement en SA donnés par mois pour l année 2005 correspondent à la fois à la quantité de SA pour la coagulation et la post-coagulation. Or les deux procédés ne sont pas utilisés avec le même débit de fonctionnement : coagulation : utilisation sur l ensemble de l usine post-coagulation : uniquement sur la tranche 3. 71

72 La quantité de SA réellement attribuable à la post-coagulation correspond donc à : = Volume eau brute total α Volume total tranche 3 = 2.6 Taux de traitement α post coag = 6 = ppm Le taux de traitement pour la coagulation correspondra donc au taux moyen par mois moins 2.3ppm. Tous les calculs seront effectués sur la base des prix des réactifs (produits commerciaux) portés dans le Tableau 26. Tableau 26. Prix des réactifs Prix unitaire uros / T Acide phosphorique 619,15 Acide sulfurique 99,47 Chlore (préchloration) 636,405 CAP 1309,35 PolyDADMAC 1890 EpiDMA 1720 ASP ,1 Sulfate d'aluminium 91,35 Soude 177, INFLUENCE SUR LE POSTE : BOUE Le coût induit par le traitement des boues dépend du volume de boue produite et donc de la quantité de réactifs utilisée. Un des intérêts des polymères cationiques est qu ils permettent une production de boue inférieure à celle formée lors des traitements conventionnels. Une analyse de la formation de boue n ayant pu être réalisée, la production de boue sera uniquement estimée à partir des quantités de réactifs mises en œuvre. Les résultats sont portés sur la Figure 21 ; le détail des calcul est en annexe XIV). D après l analyse, on constate une diminution de la production globale de boue de 10% (volumes épandus) avec EpiDMA et de 14% avec PolyDADMAC par rapport au traitement conventionnel au SA. Cette diminution est principalement due à la diminution des taux de traitement en SA. Lors des calculs, par manque d information, le taux de chaux et de polymère cationique pour la neutralisation et la déshydratation des boues n ont pas été modifiés par rapport à ceux utilisés lors du traitement au SA. La siccité des boues produites est également considérée comme identique à celle avec SA. Toutefois, d après l étude bibliographique, il semblerait que les paramètres cités précédemment soient influencés par la présence des polymères cationiques dans le sens d une diminution des taux à appliquer et d une 72

73 diminution de la teneur en eau dans les boues. Par conséquent, les coûts de traitement pourraient être encore diminués Quantité épandue en Tonne Coag SA / Post-coag Coag SA SA+PolyDADMAC Post-coag SA Coag SA+PolyDADMAC Post-coag PolyDADMAC Coag SA+EpiDMA Post-coag SA Coag SA+EpiDMA Post-coag EpiDMA Figure 21 : Comparaison de l impact sur la production de boue des traitement avec et sans polymère cationiques Les calculs des coûts induits par le poste boue ont alors été effectués pour les différentes configuration de traitement envisagées. Les résultats obtenus sont porté dans le Tableau 27. Tableau 27. Coût du poste boue en fonction des différents traitement envisageable Traitement coagulation post-coagulation coût poste boue Gain/SA seul (%) SA SA / PolyDADMAC SA PolyDADMAC PolyDADMAC EpiDMA SA EpiDMA EpiDMA L ajout de polymère cationique, quelque soit la configuration de traitement et le polymère utilisé, permet une diminution des coûts sur le poste boue d au moins 12%. L emploi de PolyDADMAC est économiquement plus intéressant que celle de l EpiDMA avec une diminution de l ordre de 15% pour le premier et 12% pour le suivant. 73

74 7.3 COUT GLOBAL SUR LES REACTIFS En se basant sur les bilans économiques de 2005, il est alors possible d après les hypothèses précédentes de faire une estimation des coûts de traitement sur l année pour chaque réactif avec et sans polymère cationique. Les résultats sont présentés sur la Figure 22 et la Figure 23, le détail des calcul est en annexe XV. Coût des réactifs en /an Acide phosphorique Acide sulfurique SA SA + PolyDADMAC SA+EpiDMA CAP ASP 25 Sulfate d'aluminium Post-coagulation Chlore (postchloration) Soude Boues Total Figure 22 : Comparaison traitement avec et sans polymère cationique avec post-coagulation au SA Coût des réactifs en /an Acide phosphorique Acide sulfurique SA SA + PolyDADMAC SA+EpiDMA CAP ASP 25 Sulfate d'aluminium Post-coagulation Chlore (postchloration) Soude Boues Total Figure 23 : Comparaison traitement avec et sans polymère cationique avec post-coagulation au polymère cationique On observe une diminution des coûts principalement au niveau du CAP et du Sulfate d Aluminium. On précisera que, pour les calculs, que les taux de traitement en acide, soude, ASP25 et chlore n ont pas été modifiés par manque d information. Un zoom des coût globaux engendrés par les réactifs est porté sur la Figure 24, les gains correspondant par rapport au traitement au SA sont indiqués Tableau

75 Coût de traitement en /an post-coagulation au SA post-coagulation polymère Traitement conventionnel au SA Traitement avec PolyDADMAC Traitement avec EpiDMA Figure 24 : Analyse économique globale Tableau 28. Analyse économique globale en /an postcoagulation SA post-coagulation polymère cationique postcoagulation SA Gain / SA (%) post-coagulation polymère cationique Traitement conventionnel au SA / / / Traitement avec PolyDADMAC ,1 10,6 Traitement avec EpiDMA ,5 11,0 Ainsi, comme mis en évidence lors des essais sur site et en laboratoire, l utilisation de PolyDADMAC uniquement en coagulation est économiquement plus avantageuse que celle de l EpiDMA. En effet, l efficacité du PolyDADMAC vis à vis de l élimination de la MON étant supérieure à celle de L EpiDMA, à même taux de traitement en matière active, les taux de CAP à mettre en œuvre sont plus faibles. Inversement, l EpiDMA est économiquement plus rentable que le PolyDADMAC pour la post-coagulation. Au final, l utilisation des polymères sur une année permet une diminution des coûts de traitement de l ordre de 11% quelque soit le polymère utilisé (Tableau 28). Cette conclusion diffère légèrement de celle obtenue suite à l analyse économique des essais laboratoire. En effet, le PolyDADMAC permettait une réduction des coûts de 30 à 23% et l EpiDMA de 30 à 15 %. Cette différence provient du fait que durant les essais laboratoire les eaux testées étaient fortement dégradées et donc l utilisation des polymères étaient particulièrement intéressante. Or, lors d un bilan sur l année, les périodes où l eau est fortement dégradées sont écrêtées par celle où l eau est de meilleure qualité. Ceci conduit donc à diminution de l importance de l effet bénéfique des polymères sur les coûts de fonctionnement. Dans le cas d une utilisation des polymères pour une substitution de 30% du SA en coagulation et de 100% du SA en post-coagulation, l EpiDMA permet d obtenir les coût de fonctionnement les plus faibles. 75

76 7.4 INVESTISSEMENT La mise en oeuvre des polymères sur l usine de Morsang-sur-Seine pour un traitement à l année, nécessiterait la mise en place d un matériel adapté. Les tarifs du fournisseur SNF Floerger sont les suivants (le détail du devis est porté annexe XVI): achat d une pompe pour l injection du polymère organique : 975 (quelque soit le débit envisagé) ; location à l année d une pompe pour l injection du polymère organique: 600. L injection de polymère est techniquement et économiquement intéressante uniquement en période froide. Par conséquent, d après la géométrie de l usine (dissociation du point d injection impossible en période froide), le polymère devrait-être ajouté obligatoirement sur l ensemble de l usine. Les quantités nécessaires pour fonctionner, dans une telle configuration, une année sont alors d environ 130 tonnes pour le PolyDADMAC et de 100 tonnes pour l EpiDMA. L achat de ces produits par fûts d une tonne ne semble donc pas envisageable. L usine est dotée d anciennes cuves d acide au niveau du BE de 6,5 m 3, leur reconversion pour stocker les polymères organiques pourrait alors être envisagée. Dans ces conditions, 18 à 19 remplissages seraient nécessaires pour le PolyDADMAC et 13 à 14 pour l EpiDMA pour 8 mois d utilisation. D un point de vue mise en œuvre, il ressort donc que l EpiDMA serait le moins contraignant. De plus, en cas de surdosage en polymère cationique, l EpiDMA induit une dégradation de l eau décantée moins rapide que le PolyDADMAC. 7.5 CONCLUSION L ajout de polymère organiques, EpiDMA ou PolyDADMAC, entraîne une économie de l ordre de 10% des coût de fonctionnement pour les postes réactifs et boues par rapport à la situation actuelle. A la vue de l analyse économique et des contraintes de mise en œuvre du polymère, l EpiDMA semble le polymère le mieux adapté pour une mise en service sur l usine de Morsang-sur-Seine. En effet, son emploi est économiquement compétitif et nécessite moins d approvisionnement que le PolyDADMAC pour un objectif de qualité d eau traitée identique à celui obtenu avec le SA. Toutefois, si l ajout de polymère a pour but une diminution de la quantité de MON dans l eau traitée par rapport au SA, alors le PolyDADMAC semble plus conseillé pour atteindre ces objectifs. 76

77 8. Conclusion L objectif global de l étude était de tester l intérêt des polymères organiques pour optimiser l étape de clarification de l eau potable. Dans cette optique et au regard des résultats de l étude bibliographique, un suivi particulier des paramètres MON, MES, algues et bactéries a été menés. Les essais, effectués en laboratoires et sur site en 2006, sont directement reliés au traitement optimal en SA, l obtention de ce dernier étant maîtrisée et utilisée par les traiteurs d eau. A partir de cette dose optimale en SA et pour un taux de substitution fixe de 30%, des quantités croissantes de polymères ont été testées à la fois en coagulation directe et en post-coagulation. Des résultats obtenus en clarification par coagulation-décantation, les recommandations suivantes peuvent alors être mises en place : pour une eau de bonne qualité, c est à dire une turbidité inférieure à 10 NFU et une absorbance inférieure à 5 m -1, l emploi de polymères cationiques n a pas d intérêt technique ni économique. pour une eau de qualité moyenne, l EpiDMA et le PolyDADMAC ont la même efficacité d élimination à quantité de matière active égale. Le taux de traitement recommandé est de 1/20 en matière active. pour une eau de qualité dégradée, turbidité supérieure à 50 NFU et absorbance UV supérieure à 10 m -1, l abattement de la turbidité est favorisée par l EpiDMA 2550PWG. Inversement, l abattement de l absorbance UV est favorisée par le PolyDADMAC 4440PWG. Le traitement préconisé est de 1/15 en matière active. On notera que les polymères à longue chaîne permettent une meilleure élimination de la MON que ceux à chaîne courte comme le laissait présager l étude bibliographique. Enfin, d un point de vu économique, l ajout de polymère permet de diminuer par deux les taux de CAP pour un même qualité d eau en sortie de filière. L utilisation de polymères organique de synthèse, en période d eau moyenne à dégradée, est donc financièrement et techniquement intéressante en comparaison aux traitements conventionnels SA + CAP. Cet intérêt pour l élimination de la MON n avait pas été bien mis en avant dans la littérature concernant le PolyDADMAC et l EpiDMA. Concernant l utilisation des polymères en post-coagulation, ils permettent de fiabiliser l étape de filtration en créant un colmatage progressif et en profondeur des filtres contrairement au SA. Leur emploi en substitution totale du SA permet une rétention des bactéries et des algues au moins aussi efficace que le SA. Comme précédemment, le PolyDADMAC s est montré plus performant que l EpiDMA pour l élimination de la MON. Toutefois, d un point de vu économique, l EpiDMA est plus attractif que le PolyDADMAC. Lors des essais sur site, le polymère a été introduit directement dans la filière de traitement d eau potable. Dans cette configuration, l ajout du polymère a des conséquences immédiates sur la qualité de l eau produite et consommée. Par conséquent, l enjeu principal des essais fut d effectuer l injection à l échelle industrielle sans détériorer les conditions de travail sur l usine. Dans cette optique, il a été décidé, au début de l étude, de tester uniquement 2 polymères de poids et densité de charge moyennes. Toutefois, le fournisseur SNF FLOERGER propose une vaste gamme de polymère de masse et de 77

78 densité de charge différentes. Au vu des résultats obtenus, il serait donc intéressant de faire une étude comparative de l effet de la longueur des chaînes sur la rétention. L impact de telle étude sur la filière étant importante, des essais sur pilote paraissent plus judicieux et moins contraignants. Les risques majeurs liés à l utilisation des polymères sont la formation de sous-produits de désinfection reconnus cancérigènes de type nitrosamine (NDMA) et la dégradation de la qualité de la décantation en cas de surdosage estimé pour un taux de traitement supérieur ou égal à 1.5 fois le taux préconisé. Ces deux inconvénients imposent, lors de l emploi de polymères, un suivi renforcé du taux de traitement et une réactivité rapide sur les sites d exploitation. Par principe de précaution, un suivi périodique de la formation potentielle de NDMA en eau traitée, après chloration, est conseillé bien que ce paramètre ne soit pas soumis, pour le moment, à réglementation. La formation de sous-produits associée à ces réactifs n'était pas l'objectif principal de cette étude. Cependant, les résultats obtenus poussent à étudier plus en détail ce risque sur les aspects analytiques et formation associée à la désinfection. 78

79 9. Bibliographie [1] BAUDIN I., HUET S., RODRIGUES J.M. Optimisation du procédé de clarification Utilisation des polymères cationiques Bilan phase [2] BOLTO B. A., DIXON D., ELDRIDGE R., KING S. Cationic polymer and clay or metal oxide combinations for natural organic matter removal 2001 Water. Res Vol.35, No.11, pp [3] BOLTO B. A.,DIXON D. R., ELDRIDGE R., KING S The use of cationic polymers as primary coagulant in water treatment 1998 Chemical Water and Waste-water Treatment V eds H. H. Hahn, E. Hoffmann, H. Ødegaard pp Springer, Berlin. [4] BOLTO B. A.,DIXON D. R., ELDRIDGE R., KING S, TOIFL M. Cationic polyelectrolytes as primary coagulants in drinking water treatment 1999 Proceedings of the Australian WWA 18 th Federal Convention pp Australian Water and Wastewater Association Sydney. [5] BOLTO B. A., ABBT-BRAUN G., DIXON D., ELDRIDGE R., FRIMMEL F., HESSE S., KING S., TOIFL M. Experimental evaluation of cationic polyelectrolytes for removing natural organic matter from water 1999 Water Sci. Technol. Vol.40, No.9, pp [6] DAVID L. Sedlak, Ph.D Evaluation of the Potential for Occurrence of NDMA in Water Produced by Australian Water Services (AWS) Sydney Water and AWS January [7] DUGUET J.P., MALLEVIALLE J. Influence of NOM on water treatment 1997 Proc. 21 st Congress pp.ss13 / 8-13 International Water Services Association Madrid. [8] KAM SK., GREGORY J. Interaction of humic substances with cationic polyelectrolytes 2001 Water. Res Vol.35, No.15, pp [9] KOLARIK L. O. Colour and turbidity removal with reusable magnetite particules. IV. Alkali activated magnetite-a new reusable coagulant-adsorbant 1983 Water. Res Vol.31, pp [10] KORSHIN G. V., BENJAMIN M. M., SLETTERN R. S., Adsorption of natural organic matter on iron oxide: effects on NOM composition and formation of organo-halide compounds during chlorination 1997 Water. Res Vol.31, pp [11] LEVINE A. D., SWICKLEY R.L., CARMAN J. R Role of cationic polymer in coagulation of disinfection byproduct precursors in drinking water [12] PARAZAK D. P., BURKHARDT C. W., MCCARTHY K. J., STEHLIN M. P. Hydrophobic Flocculation 1988 J. Colloid and Interface Sci 123, pp [13] POLASEK P., MULT S. Cationic polymers in water treatment / Part 1 : Treatability of water with cationic polymers 2002 Water SA Vol.28, No.1. [14] POLASEK P., MULT S. Cationic polymers in water treatment / Part 2 : Filterability of CPE-formed suspension 2002 Water SA Vol.28, No.1. [15] VAN VELSEN A. F.M., VAN DER VOS G., BOERSMA R., REUVER J. L., Hight gradient magnetic separation technique for wastewater treatment 1991 Water Sci. Technol. 24 pp [16] YUKSELEN M.A., GREGORY J. Properties of flocs formed using different coagulant 2002 Water Sci. Technol : water supply Vol.2,No.5-6, pp

80 ANNEXES 80

81 ANNEXE I : Schéma de l usine de Morsang-sur-Seine 81

82 ANNEXE II : Fiches produit des polymères 82

83 83

84 ANNEXE III : Paramètres Jart-test Détermination des temps d'injection: acide coagulant CAP Floculant distance (m) Débit (m3/h) 2000 diamètre (m) 0,8 temps d'injection (s) Determination des doses de SA commercial: d = 1,3 Concentration après dilution = 100,463mg/mL Taux de traitement SA seul (ppm) Volume de solution diluée à injecter (ml/m 3 ) Taux de traitement SA réel (ppm) ,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 40,19 60,28 80,37 100,46 120,56 140,65 160,74 Determination des doses d'acide pour maintenir le ph constant à 7: Acide acide sulfurique M = 98,08g/mol C O = 100g/L Taux de coagulant (mg/l) Taux d'acide (mg/l) 44,20 39,08 33,62 28,70 23,70 18,83 84

85 Taux de coagulant (mg/l) Taux d'acide dilué (mg/l) 41,52 36,44 31,35 26,27 21,18 16,10 11,02 volume d'acide (ml/l) 0,42 0,36 0,31 0,26 0,21 0,16 0,11 85

86 ANNEXE IV : Essais laboratoire / Résultats Jart-test en coagulation Le 23/02/06, eau de seine (Morsang) Coagulation : SA seul Qualité de l'eau brute Données réactifs ph 8,2 Coagulant sulfate d'aluminium TAC 18,4 F C 100,463g/L UV (DO) 13,44 m -1 Turbidité 119 NTU Floculant Température 21 C Acide acide sulfurique Taux de traitement C 50,5g/L sulfate d'aluminium variable mg/l ASP 25 / CAP acide sulfurique variable mg/l CAP / polymère / Polymère TT SA (mg/l) vol SA (ml) 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 TT H2SO4 (mg/l) 36,4 31,4 26,3 21,2 16,1 11,0 vol H2SO4 (ml) 0,72 0,62 0,52 0,42 0,32 0,22 temps de floculation 20 mn note des flocs à 20 mn temps de décantation 10 mn ph 7,01 6,99 6,98 6,95 6,94 6,95 Turbidité (NTU) 3,5 3,47 2,64 2,61 3,65 4,2 abattement 0,97 0,97 0,98 0,98 0,97 0,96 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 7,25 6,66 6,12 5,88 5,63 5,61 abattement 0,46 0,50 0,54 0,56 0,58 0,58 Turbidité (NTU) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Taux de traitement optimal Taux de SA (ppm) turbidité % réduction UV Réduction UV (%) 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 SA optimal : 120ppm 86

87 Le 27/02/06, eau de seine (Morsang) Qualité de l'eau brute Données réactifs ph Coagulant sulfate d'aluminium TAC F C 100,463g/L UV (DO) 8,39 m -1 Turbidité 29,5 NTU Floculant Température C Acide acide sulfurique Taux de traitement C 50,5g/L sulfate d'aluminium variable mg/l ASP 25 / CAP acide sulfurique variable mg/l CAP / polymère / Polymère TT SA (mg/l) vol SA (ml) 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 TT H2SO4 (mg/l) 36,4 31,4 26,3 21,2 16,1 11,0 vol H2SO4 (ml) 0,72 0,62 0,52 0,42 0,32 0,22 temps de floculation 20 mn note des flocs à 20 mn temps de décantation 10 mn ph 6,99 6,98 6,98 6,99 6,99 7 Turbidité (NTU) 4,87 7,92 8,3 11,1 11,6 14,4 abattement 0,83 0,73 0,72 0,62 0,61 0,51 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4,64 4,4 4,25 4,16 4,06 4,05 abattement 0,45 0,48 0,49 0,50 0,52 0,52 Turbidité (NTU) SA optimal : 60ppm Taux de traitement optimal Taux de SA (ppm) turbidité % réduction UV Réduction UV (%) 0,54 0,52 0,50 0,48 0,46 0,44 0,42 0,40 87

88 Le 01/03/06, eau de seine (Morsang) Qualité de l'eau brute Données réactifs ph Coagulant sulfate d'aluminium TAC 20,5 F C 100,463g/L UV (DO) 7,4 m -1 Turbidité 20 NTU Floculant Température C Acide acide sulfurique Taux de traitement C 50,5g/L sulfate d'aluminium variable mg/l ASP 25 / CAP acide sulfurique variable mg/l CAP / polymère / Polymère TT SA (mg/l) vol SA (ml) 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,39 TT H2SO4 (mg/l) 46,6 41,5 36,4 31,4 26,3 16,1 vol H2SO4 (ml) 0,92 0,82 0,72 0,62 0,52 0,32 temps de floculation 20 mn note des flocs à 20 mn temps de décantation 10 mn ph 6,99 7,01 7 7,02 7,02 7,01 Turbidité (NTU) 6,55 5,83 7,84 9,08 13,4 16,2 abattement 0,67 0,71 0,61 0,55 0,33 0,19 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 5,4 4,74 4,39 4,2 4,07 3,81 abattement 0,27 0,36 0,41 0,43 0,45 0,49 Turbidité (NTU) Taux de traitement optimal Taux de SA (ppm) turbidité % réduction UV Réduction UV (%) 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 SA optimal : 40ppm 88

89 Le 07/03/06, eau de seine (Morsang) Qualité de l'eau brute Données réactifs ph 8,09 Coagulant sulfate d'aluminium TAC 20,5 F C 100,463g/L UV (DO) 7,4 m -1 Turbidité 20 NTU Floculant Température C Acide acide sulfurique Taux de traitement C 50,5g/L sulfate d'aluminium variable mg/l ASP 25 / CAP acide sulfurique variable mg/l CAP / polymère / Polymère TT SA (mg/l) vol SA (ml) 0,60 0,80 1,00 1,39 1,59 1,79 TT H2SO4 (mg/l) 36,4 31,4 26,3 16,1 11,0 5,9 vol H2SO4 (ml) 0,72 0,62 0,52 0,32 0,22 0,12 temps de floculation 20 mn note des flocs à 20 mn temps de décantation 10 mn ph 6,98 6,95 6,9 6,88 6,88 6,9 Turbidité (NTU) 2,18 1,44 2,83 6,05 8,29 9,34 abattement 0,89 0,93 0,86 0,70 0,59 0,53 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 6,2 5,69 5,32 4,94 4,85 4,63 abattement 0,16 0,23 0,28 0,33 0,34 0,37 Taux de traitement optimal Turbidité (NTU) Taux de SA (ppm) turbidité % réduction UV Réduction UV (%) 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 SA optimal : 80ppm 89

90 Le 23/02/06, eau de seine (Morsang) Coagulation : SA + ASP25 Qualité de l'eau brute Données réactifs ph 8,2 Coagulant sulfate d'aluminium TAC 18,4 F C 100,463g/L UV (DO) 13,44 m -1 Turbidité 119 NTU Floculant ASP25 Température 21 C C 1,004g/L Acide acide sulfurique Taux de traitement C 50,5g/L sulfate d'aluminium variable mg/l ASP 25 0,22 mg/l CAP acide sulfurique variable mg/l CAP / polymère / Polymère TT SA (mg/l) vol SA (ml) 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 TT H2SO4 (mg/l) 36,4 31,4 26,3 21,2 16,1 11,0 vol H2SO4 (ml) 0,72 0,62 0,52 0,42 0,32 0,22 temps de floculation 20 mn note des flocs à 20 mn temps de décantation 10 mn ph 6,93 7 7,01 6,99 6,98 6,98 Turbidité (NTU) 1,02 1,12 1,21 1,12 1,53 2,48 abattement 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,98 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 7,12 6,56 6,22 5,83 5,61 5,46 abattement 0,47 0,51 0,54 0,57 0,58 0,59 Turbidité (NTU) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Taux de traitement optimal Taux de SA (ppm) turbidité % réduction UV Réduction UV (%) 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 SA optimal : 120ppm 90

91 Le 23/02/06, eau de seine (Morsang) Coagulation : SA + CAP Qualité de l'eau brute Données réactifs ph 8,2 Coagulant sulfate d'aluminium TAC 18,4 F C 100,463g/L UV (DO) 13,44 m -1 Turbidité 119 NTU Floculant ASP25 Température 21 C C 1,004g/L Acide acide sulfurique Taux de traitement C 50,5g/L sulfate d'aluminium 120 mg/l ASP 25 0,22 mg/l CAP PicaHydro MP21 acide sulfurique 21,2 mg/l C 10,0147g/L CAP variable mg/l polymère / Polymère TT SA (mg/l) vol SA (ml) 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 TT H2SO4 (mg/l) 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 vol H2SO4 (ml) 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 TT CAP (mg/l) vol CAP (ml) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 temps de floculation 20 mn note des flocs à 20 mn temps de décantation 10 mn ph 7,04 7,03 7,03 7 6,99 6,98 Turbidité (NTU) 0,995 0,842 0,716 0,585 0,678 0,812 abattement 0,99 0,99 0,99 1,00 0,99 0,99 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 5,37 4,93 4,84 4,23 3,91 3,7 abattement 0,60 0,63 0,64 0,69 0,71 0,72 Turbidité (NTU) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Taux de traitement optimal Réduction UV (%) 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 turbidité 0,10 % réduction UV 0, Taux de CAP (ppm) CAP optimal : 20ppm 91

92 Le 01/03/06, eau de seine (Morsang) Qualité de l'eau brute Données réactifs ph Coagulant sulfate d'aluminium TAC 20,5 F C 100,463g/L UV (DO) 7,4 m -1 Turbidité 20 NTU Floculant ASP25 Température C C 1,004g/L Acide acide sulfurique Taux de traitement C 50,5g/L sulfate d'aluminium 40 mg/l ASP 25 0,22 mg/l CAP PicaHydro MP21 acide sulfurique 41,5 mg/l C 10,0147g/L CAP variable mg/l polymère / Polymère TT SA (mg/l) vol SA (ml) 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40 TT H2SO4 (mg/l) 41,5 41,5 41,5 41,5 41,5 41,5 vol H2SO4 (ml) 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 TT CAP (mg/l) vol CAP (ml) 0,0 0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 temps de floculation 20 mn note des flocs à 20 mn temps de décantation 10 mn ph 7,03 7,04 7,02 7,06 7,05 7,06 Turbidité (NTU) 1,48 2,09 1,45 1,02 2,07 2,49 abattement 0,93 0,90 0,93 0,95 0,90 0,88 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4,64 4,75 4,24 4,05 3,64 3,39 abattement 0,37 0,36 0,43 0,45 0,51 0,54 Turbidité (NTU) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Taux de traitement optimal absorbance UV 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 turbidité 1 absorbance UV 0, Taux de CAP (ppm) CAP optimal : 10ppm 92

93 Le 07/03/06, eau de seine (Morsang) Qualité de l'eau brute Données réactifs ph 8,09 Coagulant sulfate d'aluminium TAC 20,5 F C 100,463g/L UV (DO) 7,4 m -1 Turbidité 20 NTU Floculant ASP25 Température C C 1,004g/L Acide acide sulfurique Taux de traitement C 50,5g/L sulfate d'aluminium 100 mg/l ASP 25 0,22 mg/l CAP PicaHydro MP21 acide sulfurique 41,5 mg/l C 10,0147g/L CAP variable mg/l polymère / Polymère TT SA (mg/l) vol SA (ml) 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 TT H2SO4 (mg/l) 26,3 26,3 26,3 26,3 26,3 26,3 vol H2SO4 (ml) 0,52 0,52 0,52 0,52 0,52 0,52 TT CAP (mg/l) vol CAP (ml) 0,0 0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 temps de floculation 20 mn temps de décantation 10 mn ph 6,96 7,04 7,02 7,06 7,05 7,06 Turbidité (NTU) 1,81 2,09 1,45 1,02 2,07 2,49 abattement 0,91 0,90 0,93 0,95 0,90 0,88 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 5,94 4,75 4,24 4,05 3,64 3,39 abattement 0,20 0,36 0,43 0,45 0,51 0,54 Turbidité (NTU) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Taux de traitement optimal Taux de CAP (ppm) absorbance UV turbidité absorbance UV 0 CAP optimal : 10ppm 93

94 Le 23/02/06 : eau de Seine (Morsang) Coagulation : SA + polymères Qualité de l'eau brute ph 8,2 TAC 18,4 F UV (DO) 13,44 m -1 Turbidité 119 NTU Température 21 C Taux de substitution 1/20 1/15 1/10 1/5 1/2 TT SA après substitution (mg/l) ph Turbidité (NTU) 0,692 0,533 0,55 0,639 0,988 EpiDMA abattement 0,99 1,00 1,00 0,99 0,99 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 6,15 5,92 5,58 5,03 4,24 abattement 0,54 0,56 0,58 0,63 0,68 Turbidité (NTU) 0,461 0,577 0,681 1,34 2,9 abattement 1,00 1,00 0,99 0,99 0,98 PolyDADMAC Absorbance ( filtration (DO.m-1) 6,14 5,88 5,49 4,49 4,48 abattement 0,54 0,56 0,59 0,67 0,67 Turbidité (NTU) 7 6 Absorbance (m -1 ) Turbidité EpiDMA /20 1/15 1/10 1/5 1/ Turbidité PolyDADMAC Absorbance EpiDMA Absorbance PolyDADMAC Turbidité SA + ASP25 Absorbance SA + ASP25 Taux de substitution du polymère cationique 94

95 Comparaison PolyDADMAC/EpiDMA Turbidité (NTU) 7 Absorbance UV (m -1 ) Turbidité EpiDMA Turbidité PolyDADMAC 2 2 Absorbance EpiDMA 1 0 0,7 0,9 1,0 1,2 1,4 1,8 2,9 3,6 7, Absorbance PolyDADMAC Taux de matière active (ppm) 95

96 Le 23/02/06, eau de Seine (Morsang) Coagulation : SA + Polymère + CAP Qualité de l'eau brute ph 8,2 TAC 18,4 F UV (DO) 13,44 m -1 Turbidité 119 NTU Température 6 C Taux de traitement SA 120 mg/l ASP 25 0,22 mg/l acide sulfurique 21,2 mg/l CAP variable mg/l polymère 1/10 mg/l TT CAP (mg/l) ph 7,04 7,03 7,03 7,00 6,99 6,98 Turbidité (NTU) 1,00 0,84 0,72 0,59 0,66 0,81 SA abattement 0,99 0,99 0,99 1,00 0,99 0,99 Absorbance UV filtration (DO.m-1) 5,37 4,93 4,84 4,23 3,91 3,70 abattement 0,60 0,63 0,64 0,69 0,71 0,72 ph 6,79 6,83 6,8 6,84 6,84 Turbidité (NTU) 0,64 0,675 0,689 1,07 1,25 EpiDMA + CAP abattement 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 Absorbance UV filtration (DO.m-1) 5,02 4,5 4,33 4,04 3,68 abattement 0,63 0,67 0,68 0,69 0,71 ph 6,92 6,88 6,89 6,91 6,9 Turbidité (NTU) 0,905 0,878 0,927 0,955 1,22 abattement 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 PolyDADMAC + CAP Absorbance UV filtration (DO.m-1) 4,6 4,37 3,88 3,7 3,49 abattement 0,66 0,67 0,71 0,72 0,74 96

97 Bilan sur le Charbon Actif en Poudre Turbidité (NTU) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Taux de traitement CAP (mg/l) Absorbance (m -1 ) 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Turbidité SA Turbidité EpiDMA Turbidité PolyDADMAC Absorbance SA Absorbance PolyDADMAC Absorbance EpiDMA Absorbance (m -1 ) 6,0 Bilan sur le Charbon Actif en Poudre 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 P o l y D A D M A C E p i D M A S A Absorbance SA Absorbance EpiDMA Absorbance PolyDADMAC 0, Taux de traitement CAP (mg/l) 97

98 Le 01/03/06, eau de Seine (Morsang) Qualité de l'eau brute ph 8,09 TAC 20,5 F UV (DO) 7,4 m -1 Turbidité 20 NTU Température C Taux de traitement sulfate d'aluminium 40 mg/l ASP 25 0,22 mg/l acide sulfurique 44,6 mg/l CAP variable mg/l polymère 1/10 mg/l Taux de substitution TT CAP (mg/l) ph 7,04 7,02 7,06 7,05 7,06 Turbidité (NTU) 2,09 1,45 1,02 2,07 2,49 SA / abattement 0,90 0,93 0,95 0,90 0,88 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4,75 4,24 4,05 3,64 3,39 abattement 0,36 0,43 0,45 0,51 0,54 TT CAP (mg/l) ph 7,01 7 6,99 6,98 6,96 6,96 Turbidité (NTU) 1,87 1,43 1,68 2 2,21 2,72 2/25 abattement 0,91 0,93 0,92 0,90 0,89 0,86 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4,19 3,92 3,68 3,49 3,35 3,31 EpiDMA + CAP PolyDADMAC + CAP 1/10 1/10 1/8 abattement 0,43 0,47 0,50 0,53 0,55 0,55 ph 7, ,99 7,00 Turbidité (NTU) 0,893 1,02 1,02 1,08 1,28 1,37 abattement 0,96 0,95 0,95 0,95 0,94 0,93 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 3,96 3,62 3,39 3,17 3,06 2,92 abattement 0,46 0,51 0,54 0,57 0,59 0,61 TT CAP (mg/l) ph ,98 6,97 6,97 Turbidité (NTU) 1,38 1,41 1,42 1,58 1,78 2,3 abattement 0,93 0,93 0,93 0,92 0,91 0,89 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4,14 3,85 3,59 3,39 3,3 3,19 abattement 0,44 0,48 0,51 0,54 0,55 0,57 ph 7 6,96 6,95 6,95 6,95 6,94 Turbidité (NTU) 1,55 1,29 1,32 1,41 1,46 2,08 abattement 0,92 0,94 0,93 0,93 0,93 0,90 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4 3,72 3,41 3,19 3,03 2,93 abattement 0,46 0,50 0,54 0,57 0,59 0,60 98

99 Valeur de l'absorbance en fonction du taux de traitement en CAP Matière active réelle : 0,6ppm 5 4,5 4 3,5 3 2,5 E p i D M A P o l y D A D M A C S A Absorbance SA Absorbance EpiDMA Absorbance PolyDADMAC Valeur de l'absorbance en fonction du taux de traitement en CAP Matière active réelle : 0,48ppm 5 4,5 4 3,5 3 2,5 P E o p l i y D D M A A D M A C S A Absorbance SA Absorbance EpiDMA Absorbance PolyDADMAC

100 Le 07/03/06, eau de Seine (Morsang) Qualité de l'eau brute ph 8,09 TAC 20,5 F UV (DO) 7,4 m -1 Turbidité 20 NTU Température C Taux de traitement sulfate d'aluminium 40 mg/l ASP 25 0,22 mg/l acide sulfurique 44,6 mg/l CAP variable mg/l polymère 1/10 mg/l Taux de substitution TT CAP (mg/l) ph 7,04 7,02 7,06 7,05 7,06 Turbidité (NTU) 2,09 1,45 1,02 2,07 2,49 SA / abattement 0,90 0,93 0,95 0,90 0,88 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4,75 4,24 4,05 3,64 3,39 EpiDMA+ CAP PolyDADMAC + CAP 2/25 1/10 1/10 1/8 abattement 0,36 0,43 0,45 0,51 0,54 TT CAP (mg/l) ph 7 6,96 6,95 6,95 6,95 6,94 Turbidité (NTU) 1,55 1,29 1,32 1,41 1,46 2,08 abattement 0,92 0,94 0,93 0,93 0,93 0,90 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4 3,72 3,41 3,19 3,03 2,93 abattement 0,46 0,50 0,54 0,57 0,59 0,60 ph 7, ,99 7,00 Turbidité (NTU) 0,893 1,02 1,02 1,08 1,28 1,37 abattement 0,96 0,95 0,95 0,95 0,94 0,93 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 3,96 3,62 3,39 3,17 3,06 2,92 abattement 0,46 0,51 0,54 0,57 0,59 0,61 TT CAP (mg/l) ph ,98 6,97 6,97 Turbidité (NTU) 1,38 1,41 1,42 1,58 1,78 2,3 abattement 0,93 0,93 0,93 0,92 0,91 0,89 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4,14 3,85 3,59 3,39 3,3 3,19 abattement 0,44 0,48 0,51 0,54 0,55 0,57 ph 7,01 7 6,99 6,98 6,96 6,96 Turbidité (NTU) 1,87 1,43 1,68 2 2,21 2,72 abattement 0,91 0,93 0,92 0,90 0,89 0,86 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4,19 3,92 3,68 3,49 3,35 3,31 abattement 0,43 0,47 0,50 0,53 0,55 0,55 100

101 Valeur de la turbidité en fonction du taux de CAP et de la matière active des polymères Turbidité (NTU) 3 2,5 2 1,5 1 0, taux de CAP (ppm) Turbidité pour un taux de matière active en EpiDMA de 0,48ppm Turbidité pour un taux de matière active en EpiDMA de 0,60ppm Turbidité pour un taux de matière active en PolyDADMAC de 0,48ppm Turbidité pour un taux de matière active en PolyDADMAC de 0,60ppm 101

102 Le 08/03/06, eau de Seine (Morsang) Qualité de l'eau brute ph 8,16 TAC 20,6 F UV (DO) 11,71 m -1 Turbidité 126 NTU Température 4,4 C Taux de traitement sulfate d'aluminium 140/98 mg/l ASP 25 0,22 mg/l acide sulfurique 44,6 mg/l CAP variable mg/l polymère 1/10 mg/l Taux de substitution TT CAP (mg/l) ph 6,94 Turbidité (NTU) 0,876 SA / abattement 0,99 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 3,18 EpiDMA + CAP PolyDADMAC + CAP 1/10 1/5 1/8 1/4 abattement 0,73 TT CAP (mg/l) ph 7,05 7,02 7,02 7,01 7,03 7,04 Turbidité (NTU) 0,691 0,695 0,711 0,726 0,797 1,27 abattement 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 4,17 3,92 3,57 3,27 3,12 2,83 abattement 0,64 0,67 0,70 0,72 0,73 0,76 ph 6,86 6,87 6,88 6,87 6,9 6,9 Turbidité (NTU) 1,15 1,03 1,1 1,2 1,36 1,42 abattement 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 3,51 3,3 2,96 2,76 2,43 2,22 abattement 0,70 0,72 0,75 0,76 0,79 0,81 TT CAP (mg/l) ph 6,92 6,94 6,91 6,91 6,97 6,94 Turbidité (NTU) 2,56 2,63 2,75 3,14 3,3 7,23 abattement 0,98 0,98 0,98 0,98 0,97 0,94 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 3,57 3,44 2,86 2,75 2,4 2,09 abattement 0,70 0,71 0,76 0,77 0,80 0,82 ph 6,87 6,86 6,88 6,86 6,88 6,89 Turbidité (NTU) 4,9 3,92 5,5 6,03 6,19 7,32 abattement 0,96 0,97 0,96 0,95 0,95 0,94 Absorbance ( filtration (DO.m-1) 3,09 2,97 2,54 2,37 2,09 1,96 abattement 0,74 0,75 0,78 0,80 0,82 0,83 102

103 Absorbance (m-1) 4,5 4 3,5 3 2,5 Taux de traitement optimal Eau brute : UV = 11,71 m-1 Turbidité = 126 NTU absorbance pour un taux de substitution en EpiDMA de 1/10 absorbance pour un taux de substitution en EpiDMA de 1/5 absorbance pour un taux de substitution en PolyDADMAC de 1/8 absorbance pour un taux de substitution en PolyDADMAC de 1/ taux de CAP (ppm) référence absorbance UV pour SA + CAP (traitement usine) Valeur de la turbidité en fonction du taux de CAP et de la matière active des polymères Turbidité (NTU) taux de CAP (ppm) Turbidité pour un taux de matière active en EpiDMA de 1/10 Turbidité pour un taux de matière active en EpiDMA de 1/5 Turbidité pour un taux de matière active en PolyDADMAC de 1/8 Turbidité pour un taux de matière active en PolyDADMAC de 1/4 103

104 ANNEXE V : Analyse économique de l utilisation des polymères en coagulation Débit moyen tranche 2 = 2000 m3/h Prix des réactifs Réactifs prix ( /T) SA 88 ASP EpiDMA 1720 PolyDADMAC 1890 Acide 98 CAP 1270 Soude 100 Qualité de l'eau Traitement usine Type d'eau UV Turbidité SA CAP ASP25 Acide Total/sem Taux en ppm ,22 41,52 Bonne T/semaine 13,4 0,0 0,1 14,0 prix par semaine ( ) Taux en ppm ,22 41,5 Moyenne 7,4 20 Dégradée 11, Dégradée 13, T/semaine ,07 14 prix par semaine ( ) Taux en ppm ,22 16,1 T/semaine ,07 5 prix par semaine ( ) Taux en ppm ,22 21,2 T/semaine ,07 7 prix par semaine ( )

105 Qualité de l'eau Traitement avec polymère PolyDADMAC Type d'eau UV Turbidité SA CAP ASP25 Acide PolyDADMAC Total/sem Taux en ppm ,22 44,57 1/10 Bonne <5 <10 T/semaine 9,4 0,0 0,1 15,0 0,40 prix par semaine ( ) ,7 1467,6 762, ,3 Taux en ppm ,22 44,6 1/8 Moyenne 7,4 20 T/semaine 9 3 0, ,50 Dégradée Cas1 Dégradée Cas 2 11, , Dégradée 13, prix par semaine ( ) Taux en ppm ,22 26,8 1/6 T/semaine prix par semaine ( ) Taux en ppm ,22 26,8 1/8 T/semaine ,07 9 1,8 prix par semaine ( ) Taux en ppm ,22 30,3 1/10 T/semaine , ,2 prix par semaine ( ) Qualité de l'eau Traitement avec polymère EpiDMA Type d'eau UV Turbidité SA CAP ASP25 Acide EpiDMA Total/sem Taux en ppm ,22 44,57 1/10 Bonne <5 <10 T/semaine 9,4 0,0 0,1 15,0 0,40 prix par semaine ( ) ,7 1467,6 693, ,7 Taux en ppm ,22 44,6 1/10 Moyenne 7,4 20 T/semaine 9 3 0, ,40 Dégradée Cas1 Dégradée Cas2 11, , Dégradée 13, prix par semaine ( ) Taux en ppm ,22 26,8 2/15 T/semaine prix par semaine ( ) Taux en ppm ,22 26,8 1/5 T/semaine , prix par semaine ( ) Taux en ppm ,22 30,3 1/10 T/semaine , prix par semaine ( )

106 ANNEXE VI : Bilan qualité eau et boue avant ajout de polymère UV (DO m -1 ) EB ED1 ED2 EF1 EF2 EF test EO1 E avant chloration E chlorée 22/02/ ,86 4,42 6,03 6,94 6,13 6,08 2,04 2,32 2,23 28/02/2006 9,17 4,34 4,35 4,2 2,11 1,92 01/03/2006 7,75 2,8 3,9 2,58 3,85 3,86 1,64 1,55 1,71 07/03/ ,4 5,56 5,53 5,48 2,22 2,33 08/03/ ,87 4,83 5,4 4,98 5,23 5,22 2,44 2, /03/ ,33 2,18 4,23 2,08 4,32 4,12 1,05 1, Min Moy Max COT (mgc/l) EB ED1 ED2 EF1 EF2 EF test EO1 E avant chloration E chlorée 22/02/2006 6,9 2,2 2,7 1,9 2,7 2,7 1,8 1,7 1,6 28/02/2006 3,2 2 1,9 1,8 1,2 1,4 01/03/2006 2,9 1,4 1,7 1,2 1,7 1,7 1,1 1,1 1,1 07/03/ ,4 2,4 2,4 1,6 1,7 08/03/2006 6,2 2,3 2,3 2 2,2 2,3 1,9 1, /03/2006 4,3 1,2 1,9 1 1,8 1,8 0,9 1,3 1.4 Algues (cellules/l) EB ED2 EF2 E chlorée Abattement log (EB/ED) Abattement log (EB/EF) 22/02/ /03/ /03/ /03/ Coliformes (NPP/100ml) EB EF2 E avant chloration Abattement E log chlorée (EB/EF) 22/02/ /03/ /03/ /03/ SASR (NPP/ml) EB EF2 E avant chloration E chlorée 22/02/ /03/2006 < /03/ /03/ Escherichia coli (NPP/100ml) EB EF2 E avant chloration Abattement E log chlorée (EB/EF) 22/02/ /03/ /03/ /03/ Enterocoques (NPP/100ml) EB EF 2 E avant chloration E chlorée 22/02/ /03/ /03/2006 > /03/

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