Optimisation du procédé de clarification Utilisation des Polymères Cationiques

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1 TECHNOLOGIES DE L EAU - Alimentation en Eau Potable - 00AEP00 Optimisation du procédé de clarification Utilisation des Polymères Cationiques Bilan de la phase 3 ( ) Isabelle BAUDIN Jean-Michel RODRIGUES Sandrine HUET Etude financée par l'agence de l'eau Seine Normandie Décembre 2005

2 RESUME L objectif global de l étude est d apporter une solution pour fiabiliser le procédé de clarification. L intérêt potentiel des coagulants organiques cationiques est ainsi étudié, pour l optimisation des performances de la clarification en terme d élimination de la turbidité, des particules, mais aussi de la matière organique. Cette étude est menée par le CIRSEE depuis 2001 avec le support financier de l AESN. Ce rapport fait la synthèse de la phase 3 du projet, couvrant la période d essais menés en 2004 et 2005 en lien avec les sites de production de Maromme (coagulation sur filtres), Gamarde (coagulation sur filtres de premier et second étage) et Morsang (coagulation/décantation). Les polymères testés sont des EpiDMA et des PolyDADMAC, agréés en France pour l eau potable depuis 2004, et commercialisés par SNF Floerger, avec monopole de ce fournisseur pour le marché français. Ces réactifs sont employés pour substituer une partie du sel métallique habituellement appliqué comme coagulant. Des essais de coagulation sur filtre et de coagulation/décantation ont été réalisés à l échelle laboratoire pour déterminer les dosages optimaux des réactifs ; les meilleures combinaisons ont ensuite été testées sur pilote (site de Gamarde) ou à l échelle industrielle (sites de Maromme et Morsang). CONCLUSION Des résultats générés en laboratoire, sur pilote et sur site durant cette phase de tests industriels, il est possible de tirer ces principales conclusions quant à l intérêt de la mise en œuvre des polymères cationiques en clarification : Pour chacun des projets suivis, il s avère que les conclusions tirées des essais en laboratoire ne peuvent être directement extrapolées aux performance attendues sur pilote ou sur site industriel. Les réactifs EpiDMA et PolyDADMAC, à taux de matière active équivalente, ont des performances comparables en élimination de turbidité et matières organiques. Un polymère de masse moléculaire moyenne est recommandé pour les applications en traitement d eau de surface par coagulation/décantation, une masse plus élevée est préconisée pour le traitement d eaux souterraines par coagulation sur filtres. En coagulation sur filtre (cas de Maromme) : ces réactifs, en alternative partielle au FeCl 3, ont un intérêt dans l allongement des cycle de filtration ; l intérêt pressenti de ces polymères pour optimiser le traitement en période pluvieuse (ressource de qualité dégradée avec pointes de turbidité > 10 NFU et matières organiques) n a pu être démontré durant cette période (qualité stable et bonne de la ressource durant la période 2004/2005). Un léger excès (0,2 ppm au lieu de 0,1 ppm) de polymère sur des eaux peu chargées en particule et matières organiques traitées par coagulation sur filtre (cas de Maromme) peut entraîner la formation de traces de NDMA sur eau traitée après chloration. En coagulation sur filtres premier étage (sable) et second étage (CAG) (site de Gamarde), les mélanges préparés de réactifs (sels d Al et polymère cationique) vendus par SNF ont un intérêt technique et économique par rapport au coagulant minéral seul (WAC). Cet intérêt démontré en laboratoire doit être validé à échelle industrielle. En coagulation/décantation testé sur l usine de Morsang, il n y a pas d intérêt technicoéconomique à remplacer partiellement le sulfate d aluminium par un coagulant organique, en période estivale, quand la ressource est de bonne qualité et facile à traiter. L intérêt potentiel des polymères cationiques pour traiter la ressource de qualité dégradée a été mise en évidence en laboratoire et sera testée sur site, en hiver, en Suite aux derniers essais sur le site de Morsang en 2006, la synthèse des résultats de l ensemble du projet mené sur la période 2001/2005 sera établie, avec recommandations de mise en oeuvre de ces réactifs, avantages et limitations de ces réactifs, pour l optimisation de la clarification appliquée aux eaux de surface ou aux eaux souterraines. MOTS CLES Clarification ; Coagulation ; Decantation ; Filtration ; Polymères cationiques ; PolyDADMAC ; EpiDMA. 2

3 SOMMAIRE 1 Introduction Cadre du projet HISTORIQUE DU PROJET LES POLYMERES ORGANIQUES DE SYNTHESE : APPROCHE BIBLIOGRAPHIQUE Rappels sur le principe de la coagulation AVANTAGES ET LIMITES DES POLYMERES Mise en œuvre des polymères cationiques sur sites Résultats des essais menés en 2004 sur le site de Maromme REACTIFS TESTES OBJECTIF METHODOLOGIE PRESENTATION DE L USINE SUIVI DU PROCESS ET DE LA QUALITE PLANNING REALISE RESULTATS SUIVI HYDRAULIQUE Résultats sans polymère Résultats avec polymère Comparaison des performances de filtration avec ou sans p 4.8 RESULTATS : SUIVI QUALITE D EAU Suivi MON Suivi micro-organismes Demande et cinétique de chlore sur l eau filtrée CAG Suivi Sous produit : NDMA Bilan rejet CONCLUSION Résultats des essais menés en 2005 sur le site de Gamarde (coagulation sur filtres sable et CAG) CONTEXTE OBJECTIFS DESCRIPTION DES ESSAIS LABORATOIRE Filtration sur sable Filtration sur CAG Materiel et méthode RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : DETERMINATION DES DOSES OPTIMALES DE COAGULANTS EN FILTRATION SUR SABLE ET CAG

4 A.Test des «Mélanges» Coagulation sur filtre sable Coagulation sur filtre CAG RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : TESTS DES COMBINAISONS DE REACTIFS : COAGULANT CATIONIQUE + COAGULANT MINERAL Choix des doses de réactifs testées Coagulation sur filtre sable Coagulation sur Filtres CAG RESULTATS : BILAN TECHNICO-ECONOMIQUE RESULTATS DES ESSAIS PILOTE CONCLUSION Résultats menés en 2005 sur le site de Morsang (clarification par coagulation et décantation) ESSAIS LABORATOIRE Planning des essais Protocole d analyse pour l évaluation de l efficacité des 6.1.3Résultats d analyses pour le choix du taux de traitement o 6.1.4Impact du traitement sur la performance des polymères 6.2 MISE EN PLACE SUR LA FILIERE DE TRAITEMENT Planning des essais et objectifs Matériel Analyses Essais complémentaires en prévision RESULTATS DES ESSAIS SUR SITE Evolution des paramètres de qualité Impact des polymères sur le colmatage des filtres à sable 6.3.3Impact des polymères sur la qualité/quantité de boues BILAN TECHNICO-ECONOMIQUE CONCLUSION Conclusion générale Bibliographie

5 TABLE DES ILLUSTRATIONS Tableaux Tableau 1 : Caractéristiques des trois tranches de la station de Morsang...15 Tableau 2 : Sites étudiés avec principales caractéristique (qualité d eau et traitement)...15 Tableau 3 : Caractéristiques des coagulants organiques employés lors des essais sur le site de Maromme...16 Tableau 4 : Dose des réactifs en fonction de la qualité de l eau brute...17 Tableau 5 : Taux de réactifs FeCl3/Polymère appliqués sur l usine de Maromme...20 Tableau 6 : Planning des essais sur le site de Maromme...21 Tableau 7 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 seul, sans ajout de Polymère. Suivi sur période 2004(semaines 27-53) et début 2005 (semaines 2-9)...22 Tableau 8 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 et ajout de Polymère. Suivi sur période 2004 (semaines 47/53) et début 2005 (semaine 7/8)...23 Tableau 9 : Résultats des campagnes d analyse de sous produits (NDMA et autres composés)...28 Tableau 10 : Caractéristiques des coagulants testés en coagulation sur filtre sur le site de Gamarde...32 Tableau 11 : Qualité de l eau brute. Août Tableau 12 : Qualité de l eau filtrée sable, usine. Août Tableau 13 : Bilan technico-économique des essais laboratoire...38 Tableau 14 : Résultats de filtration sur pilote...39 Tableau 15 : Planning des essais laboratoire (jar test)...40 Tableau 16 : Abattement supplémentaire, en moyenne, des polymères cationiques comparés au sulfate seul, pour 30% de substitution et 1/10 de remplacement...42 Tableau 17 : Résultats d abattement à partir d une eau préchlorée...43 Tableau 18 : Consignes de dosage en coagulant...46 Tableau 19 : Planning des analyses effectuées sur la tranche Tableau 20 : Paramètres de l eau brute pendant la période d essais (valeurs moyennes)...48 Tableau 21 : Comparaison des performances...48 Tableau 22 : Concentration en aluminium dissous sur les tranches 1 et Tableau 23 : Moyennes des abattements des algues et bactéries...50 Tableau 24 : Temps et volumes d eau passés pour un cycle de filtration (consigne à la perte de charge)...52 Tableau 25 : Vitesses moyennes de montée en perte de charge...53 Tableau 26 : Analyses des cohésions de boues du décanteur T Tableau 27 : Evaluation de l économie de réactifs...55 Figures Figure 1 : Schéma de l action combinée des coagulants minéraux et organiques...10 Figure 2 : Formule chimique du PolyDADMAC...10 Figure 3 : Formule chimique de l EpiDMA...10 Figure 4 : Distribution des masses moléculaires pour EpiDMA et polydadmac...11 Figure 5 : Schéma de l usine de Maromme...19 Figure 6 : Schéma de l usine de Maromme avec points de prélèvements et analyseurs...20 Figure 7 : Exemple de suivi de cycle de filtration pour une production sans polymère...22 Figure 8 : Exemple de suivi de cycle de filtration pour une production sans polymère...22 Figure 9 : Synthèse des performances de filtration du filtre 4 avec FeCl3 ou combinaison FeCl3 + Polymère...23 Figure 10 : Suivi de l évolution de la perte de charge du filtre test en période de qualité dégradée de la ressource ; traitement avec FeCl3 et polymère B

6 Figure 11 : Suivi de l évolution de la durée des cycles de filtration du filtre test en période de qualité dégradée de la ressource ; traitement avec FeCl3 et polymère B...24 Figure 12 : Elimination du COT le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants...25 Figure 13 : Elimination de l absorbance UV le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants...25 Figure 14 : Elimination des Escherichia Coli le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants...25 Figure 15 : Elimination des Entérocoques le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants...26 Figure 16 : Elimination des Spores de germes sulfito-reducteurs le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants...26 Figure 17 : Essais de demande en chlore sur eau traitée sans polymère(essais à différents temps de contact entre 50 minutes et 24h30)...27 Figure 18 : Essais de demande en chlore sur eau traitée avec polymère A (essais à différents temps de contact entre 16 minutes et 24h30)...27 Figure 19 : Cinétique de consommation du chlore (essais à différents taux de chloration exprimée en chlore résiduel) sur eau traitée avec Polymère A...27 Figure 20 : Résultats de la campagnes d analyse de sous produits (NDMA et autres composés )sur eau ozonée, eau traitée chlorée et eau du réseau du 19/11/ Figure 21 : Résultats de la campagnes d analyse de sous produits (NDMA et autres composés) sur eau ozonée, eau traitée chlorée et eau du réseau du 21/02/ Figure 22 : Suivi des rejets lors du lavage des filtres pour différents traitements de coagulation...30 Figure 23 : Exemple de profil de turbidité et de MES effectué sur les eaux de lavages d un filtre...30 Figure 24 : Filtration sur sable-test des FLB...34 Figure 25 : Filtration sur CAG-test FLB...35 Figure 26 : Filtration sur sable-test des combinaisons à différentes doses...36 Figure 27 : Filtration sur sable-test des combinaisons à 75 % de substitution...36 Figure 28 : Filtration sur CAG - test des combinaisons...37 Figure 29 : Comparaison des performances en turbidité et matière organique entre SA et mélange sulfate/polymère à 30% de substitution et différents taux de remplacement...41 Figure 30 : Impact de la dose de charbon actif en poudre sur les performances des polymères cationiques...43 Figure 31 : Impact de la dose d acide sur la performance des coagulants...44 Figure 32 : Traitement final à la soude : remise à ph de l eau...45 Figure 33 : Cuve de polymère et pompe de dosage...46 Figure 34 : Dispositif de dilution en ligne...46 Figure 35 : Abattement de la turbidité des décanteurs des tranches 1 et Figure 36 : THM totaux (sur l eau traitée de T2 après chloration)...51 Figure 37 : Evolution de la perte de charge sur le filtre Figure 38 : Schéma des piquages

7 1 Introduction La filtration et son traitement en amont (coagulation, décantation,..) est le procédé le plus appliqué en traitement conventionnel pour éliminer les particules en général et des microorganismes en particulier. L efficacité et la fiabilité d une filière de traitement, dépendent fortement de l optimisation et du contrôle de l ensemble des procédés de coagulation, floculation, sédimentation et filtration. La turbidité est aujourd hui le meilleur indicateur d efficacité de ces traitements. Le contexte réglementaire et contractuel vis-à-vis de la turbidité évolue rapidement et pousse le traiteur d eau à prendre des mesures au niveau des traitements, de leur optimisation et de leur contrôle pour garantir une turbidité inférieure à 0,5 NTU, 100% du temps (valeur de référence de qualité du décret français de 2001). Cet objectif de turbidité peut-être garanti sur la plupart des filières de traitement optimisées au niveau de la clarification et de la filtration en second étage. L abattement de la turbidité constitue l objectif traditionnel de l optimisation du processus de coagulation/floculation pour le traitement des eaux potables. Cependant, depuis quelques années, l attention s est attachée sur l élimination de la matière organique naturelle (MON) et paramètres liés comme la coloration, les goûts et odeurs. La raison principale est de réduire la formation potentielle des sous-produits de désinfection en éliminant une partie de la MON, précurseur de ces sous-produits. L abattement optimal de la MON requiert l utilisation de fortes doses en coagulant ainsi qu un ph très acide. La coagulation avancée, nécessite alors l ajout d une base en fin de traitement pour remise à l équilibre de l eau et peut entraîner une concentration excessive en métal résiduel en sortie de traitement ainsi qu une augmentation de la production de boues. L optimisation et le contrôle de la dose de coagulant sont donc un enjeu technique et économique pour un traiteur d eau. L utilisation de polymères cationiques est une des voies potentielles prometteuses pour améliorer l efficacité et la fiabilité des procédés de clarification. Ces polymères peuvent être mis en œuvre en tant qu aide aux procédés de coagulation, floculation et filtration en complément ou en alternative partielle aux réactifs minéraux conventionnels. Leur performance dépendent peu du ph, la concentration en métal résiduel est réduite et le volume de boues également. Cependant l impact sur la santé et l environnement retient particulièrement l attention puisqu ils peuvent être à l origine de produits de désinfection. Le présent projet s inscrit dans la continuité des expériences menées sur les polymères organiques cationiques ces quatre dernières années. L étude est 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 sont rappelés. Le travail effectué se porte sur l évaluation en laboratoire et sur filière de traitement des performances technico-économiques des coagulants organiques par comparaison avec un coagulant minéral. 7

8 2 Cadre du projet 2.1 HISTORIQUE DU PROJET Dans le cadre de la valeur paramétrique pour la turbidité des eaux apparaissant dans le nouveau décret français, 0,5 NTU au point de mise en distribution, les polymères cationiques de type PolyDADMAC (ou PolyDiAllylDiméthylAmmoniumChlorure) et EpiDMA (ou Epichlorhydrique-DiméthylAmine), sont pressentis comme susceptibles d aider à fiabiliser la coagulation. Ces réactifs sont déjà utilisés pour la production d eau potable depuis plus de 20 ans dans d autres pays, comme les Etats-Unis et l Angleterre. Jusqu à présent, ces coagulants organiques n étaient pas autorisés en France pour des applications en eau potable. Une demande d agrément en France a été déposée en 2000 auprès de la Direction Générale de la Santé par la société SNF Floerger. Cette demande concernait les réactifs «PolyDADMAC», «EpiDMA» et mélanges de sels d aluminium/polymère cationique. SNF Floerger a reçu fin mars 2004 l agrément pour une liste précise de réactifs. Si un autre fournisseur veut obtenir l agrément pour des réactifs équivalents, il doit déposer un dossier de demande d agrément prouvant la fiabilité de sa filière de production. SNF Floerger est donc depuis 2004 la seule société en mesure de fournir les coagulants organiques 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). 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, qui seront rendus publiques par l AESN à la fin du projet en 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) : 80 usines LDEF ; 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 NTU, 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%. 8

9 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. 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). Etude réalisée en 2004 et 2005 : L agrément a été délivré en 2004 par la DGS (Direction Générale de la Santé) pour des réactifs des familles polydadmac et EpiDMA du fournisseur SNF Floerger. Des exploitants LDEF de filières de production d eau potable se sont manifestés pour tester à l'échelle industrielle ces nouveaux réactifs, dont les performances et le faible risque de formation de sous produits associés ont été démontrés lors des études précédentes. En 2004 était l évaluation à l échelle industrielle de la faisabilité de la mise en œuvre de polymères cationiques a été menée sur une usine de coagulation sur filtre (Marommes proche de Rouen). En 2005, des essais ont été menés sur le site de production par coagulation/décantation de Morsang-sur-Seine, en région parisienne. Des essais ont également été menés en lien avec le site de production par coagulation sur filtres sable premier étage, et projet d extension par filtration sur CAG en second étage, de Gamarde (près de Bordeaux). 2.2 LES POLYMERES ORGANIQUES DE SYNTHESE : APPROCHE BIBLIOGRAPHIQUE Rappels sur le principe de la coagulation On compte parmi les coagulants plusieurs familles dont les principales sont les sels métalliques, les polyamines, les polydadmac, les résines dicyandiamide ou les résines mélamine formaldéhyde. Ces coagulants sont minéraux ou organiques, toujours cationiques à forte densité de charge, de faible ou très faible poids moléculaire et sous forme liquide essentiellement. La combinaison sel minéral (d aluminium ou de fer)/polymère cationique permet une double action sur les matières en suspension et la matière organique. En effet, le coagulant minéral, de part sa charge positive neutralise les particules comme expliqué plus haut tandis que le polymère cationique, de masse moléculaire plus importante et grâce à sa charge positive également, tend à rassembler les agglomérats formés par le coagulant minéral pour créer un floc plus gros et donc plus facilement décantables. La figure 1 schématise ce principe. 9

10 MO Particule Coagulant minéral Polymère cationique Figure 1 : Schéma de l action combinée des coagulants minéraux et organiques Description des coagulants organiques Les réactifs à la base des coagulants organiques sont des polymères de synthèse (polyammines quaternaires) chargés positivement, la charge cationique étant apportée par une fonction ammonium quaternaire ; ces polymères sont de faible masse moléculaire (<10 6 ) et n ont ainsi pas ou très peu de pouvoir floculant. Les deux principales familles de polymères utilisées comme coagulants en eau potable sont : Les PolyDADMAC (ou PolyDiAllylDiméthylAmmoniumChlorure), C 8 H 16 NCl, synthétisés par cyclopomérisation du monomère DADMAC, sont sous formes liquides de 20 à 50% en matière active ou solides (billes) (voir figure 2). CH2 CH CH CH2 CH CH CH n + m CH2 N + CH2 Cl - CH2 N + CH2 CH2 Cl - N + Cl - CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 n CH2 C CH CH3 m< 2% Figure 2 : Formule chimique du PolyDADMAC Les polyamines Epi-DMA (ou Epichlorhydrique-DiméthylAmine), C 5 H 12 ONCl, synthétisées par polycondensation de diméthylamine et épichlorhydrine, sont sous forme liquide uniquement, à 50% de matière active (voir figure 3). n CH2 O CH CH2 Cl + n CH3 CH3 NH N + CH3 CH3 CH2 Cl - CH OH CH2 n Figure 3 : Formule chimique de l EpiDMA On retrouve chez ces deux familles de polymères une forte densité de charge, un poids moléculaire faible à moyen avec différents taux de réticulation, ils sont utilisés comme coagulants primaires avec une très bonne efficacité quelque soit le ph. Les PolyDADMAC et EpiDMA différent de part leurs monomères, leur mode de synthèse, ainsi que leur structure moléculaire. En raison de la présence de chaînes longues et courtes, les polyamines peuvent être considérées comme des produits polyvalents. Elles sont plus efficaces pour la réduction des composés organiques et plus rapides en action. 10

11 Les polydadamac, de part une distribution moléculaire plus étroite, sont des produits plus spécifiques. Ils ont un poids moléculaire plus élevé, sont plus efficaces pour la réduction de la turbidité et sont utilisés à plus faible dosage (voir la figure 4). Polyamines PolyDADMAC PM moyen PM moyen Wi Wi PM PM Figure 4 : Distribution des masses moléculaires pour EpiDMA et polydadmac Une confusion a souvent lieu lors de l emploi de ces polymères organiques cationiques. En effet, il y a deux types de polymères organiques utilisés en traitement de l eau : les PAHPM (Polymère Anionique Haut Poids Moléculaire, 10 6 à ) utilisés comme adjuvants en tant que floculants; ils sont généralement neutres ou chargés négativement afin de neutraliser les charges du coagulant résiduel, et les PCBPM (Polymère Cationique Bas poids moléculaire, 10 4 à 10 5 ) utilisés comme coagulants. Des coagulants mixtes (type FLB, produit commercial SNF), mélanges de sels d aluminium et de coagulants organiques, sont également proposés avec une stabilité de ces mélanges dans le temps, limité à 6 mois. L intérêt de ce réactif est de simplifier la mise en oeuvre de l injection de deux coagulants en un réactif. Risque de sous-produits de désinfection Le polydadmac et l EpiDMA peuvent être précurseur de DMA ou TMA (diméthylamine ou trimethyl-amine) à l origine après oxydation par le chlore ou la chloramine :d un sous-produit : la NDMA (N-Nitroso-diméthyl-amine), formée par substitution nucléophile impliquant une amine (DMA ou TMA) et des nitrites comme précurseur. La NDMA 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 2 OC 2 H 3 ). Elle est présente dans de nombreux produits industriels. La NDMA a été détectée en France en sortie de filières de traitement, mettant en œuvre des résines 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) et une désinfection finale au chlore ou aux chloramines. Il n y a pas de norme concernant ce polluant aujourd hui, mais il fait partie de la liste des polluants prioritaires de l EPA. Les 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). La contamination par ce polluant ne concerne pas seulement l eau, mais l air (polluant volatile), et les aliments. En France le laboratoire CERBIA IRIS (Groupe Emeraude) assure l analyse de la NDMA et de 7 autres nitrosamines associées (NMEA, NDEA, NDPA, NPIP, NPYR, 11

12 NMOR, NDMBA. NDEA et NDPA sont des molécules cancérigènes à concentration plus forte que le NDMA pour le même risque. L oxydation par ozone des précurseurs de DMA pourrait induire la formation de NDMA ; cependant des essais d ozonation (dose ozone 1 à 5 mg/l) de solutions de polymères cationiques, menés en laboratoire n ont pas mis en évidence de formation de NDMA (Najm et Trussel, 2000b). Les polymères de type Polyacrylamide ne forment pas ou peu de NDMA le groupe aminé étant fortement lié (liaison C=0) au niveau du polymère. 2.3 AVANTAGES ET LIMITES DES POLYMERES De nombreuses expériences de mise en œuvre de ces réactifs en production d eau potable, recensées dans la littérature, ont d ores et déjà permis d énumérer les différents points positifs et négatifs des polymères cationiques. L objectif du projet est ainsi de quantifier les avantages et inconvénients liés à l emploi de ces nouveaux réactifs de coagulation pour les appliquer en coagulation sur filtre et/ou en coagulation/décantation. 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 impact du dosage de ces réactifs, peu ou pas acides, sur le 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 : Opportunité pour fiabiliser une station de coagulation sur filtre en assurant une turbidité des eaux filtrées <0.2 NTU 95% du temps et <0.5 NTU 100% du temps. Renforcement de l efficacité des rétentions des matières en suspension notamment au niveau de la coagulation sur filtre Elimination des 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. Limitation du risque de teneur élevée en aluminium dans l eau traitée par coagulation aux sels d aluminium, protection de l environnement (norme européenne : 0,2 mg/l Al résiduel) Obtention de meilleurs abattements de microorganismes tel que Cryptosporidium par coagulation sur filtre à l échelle pilote (dans certaines conditions de travail) Réduction du volume de boues produites (de 30 à 50%) grâce à la réduction de formation d hydroxydes et boues plus facilement déshydratables. 12

13 Les limitations d usage de ces réactifs sont : Sur le plan technique : Une confusion dans les applications entre polymères floculants et polymères coagulants Une faible volonté de changer un traitement conventionnel, bien maîtrisé, à base de sels métalliques Problème de mise en œuvre : impact sur la gestion du décanteur mal connu 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. 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 13

14 3 Mise en œuvre des polymères cationiques sur sites Les trois sites industriels de production d eau potable du groupe, choisis pour mener à bien l évaluation des performances des polymères cationiques sur la période 2004/2005 sont les suivants : Usine de Maromme De capacité 1000 m 3 /h, cette usine traite des eaux souterraines par coagulation (sels de fer) sur filtres bi-couches suivi d un affinage par ozone + CAG. Cette usine a des problèmes ponctuels de gestion des cycles de filtration, trop courts, spécialement en périodes occasionnelles où la ressource est de qualité dégradée (pointes de turbidité > 10 NFU). Les essais sur site, mené en 2004, avaient pour objectifs de tester l intérêt des polymères cationiques dans le renforcement de la fiabilité de la filtration sur ce site. Ce site a été choisi comme référence d essais à échelle industrielle, à la suite et en cohérence avec les conclusions des essais menés en laboratoire et sur pilote en Usine de Gamarde La station de traitement d eau potable de Gamarde à St Médart en Jalles (33) traite une eau brute de nappe pour un débit maximum de 600 m 3 /h. La turbidité de l eau brute est en moyenne proche de 1 NFU, c est pourquoi la station possède un traitement de coagulation sur filtre efficace la plupart du temps. Cependant lors de fortes pluviométries des valeurs supérieures à 10 NFU peuvent être enregistrées au niveau de la ressource entraînant une augmentation de la turbidité de l eau traitée pouvant atteindre 1.8 NFU. Il a ainsi été proposé la modernisation de l usine, avec la mise en place d une coagulation sur filtre Charbon Actif en Grain (CAG), en aval de la coagulation sur filtre à sable existante. Les points critiques sur ce site, sont ainsi la maîtrise du risque biologique, la réduction de la matière organique et le traitement des pesticides. L objet de l étude menée en 2005 était de tester, au niveau laboratoire et pilote, différentes combinaisons de traitement de coagulation : WAC HB, employé sur site, sulfate d aluminium et plusieurs types de polymères organiques. Usine de Morsang L unité de traitement de Morsang-sur-Seine, créée en 1970, possède aujourd hui une capacité nominale de m 3 /j. L installation fonctionne 24h/24. En produisant m 3 /j, elle permet d alimenter en eau près d un million d habitants. L installation est divisée en 3 tranches fonctionnant en parallèle. Communément aux trois tranches, on trouve le dégrillage, le macro-tamisage sur des tamis de 1,5mm, une pré-oxydation éventuelle, l injection successive d acide, de coagulant, de CAP et de floculant Puis les trois tranches se décrivent comme suit (tableau 1). Un des enjeux majeurs sur cette filière est l optimisation technique et économique de l élimination avancée des matières organiques dissoutes, spécialement en hiver, quand la ressource est de qualité dégradée. L objectif de l étude menée en 2005 était ainsi de comparer les performances du sulfate d aluminium seul (appliqué sur les Tranches 1 et 3) avec celles d une combinaison sulfate d aluminium/ polymère cationique mise en œuvre sur la Tranche 2 de l usine. 14

15 Avec ces 3 études de cas, résumées dans le Tableau 2, il a ainsi été possible de comparer les performances et limites d un traitement à base de polymère cationique à celles du traitement conventionnel en place, pour différentes configurations de qualité d eau, de filières de traitement et d objectifs visés. Tableau 1 : Caractéristiques des trois tranches de la station de Morsang Tranche T1 Tranche T2 Tranche T3 Débit moyen (m3/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 Filtre à CAG Filtration sur CAG Désinfection Neutralisation éventuelle Tableau 2 : Sites étudiés avec principales caractéristique (qualité d eau et traitement) Site Maromme Gamarde Morsang Type eau Valeur moyennes Turbidité/MO (NTU/DO.m -1 ) Eau souterraine Eau souterraine (<5/<5) Eau de surface (Seine diluée) (10/5) Eau de surface chargée (Seine) (>10/>5) Traitement Réactif de référence - Coagulation sur filtres bicouches - Sel de Fer - Coagulation sur filtres sable - sels d aluminium (WAC) - Clarification (avec décanteur) - Sulf.Al - Clarification (avec décanteur) - Sulf.Al Type d essais menés Période de tests - Laboratoire et pilote : Laboratoire et essais site : Laboratoire et pilote : Laboratoire et essais sites : Laboratoire : Essais site prévus en 2006 Traitement testé Polymère cationique+fecl 3 Polymère cationique + Sulf Al Mélange SNF (SelAl/Polymère) Polymère cationique + Sulf Al Polymère cationique + Sulf Al 15

16 4 Résultats des essais menés en 2004 sur le site de Maromme 4.1 REACTIFS TESTES Les réactifs testés au niveau laboratoire et sur site sont portés dans le Tableau 3. Des polymères de type PolyDADMAC et EpiDMA de haute masse moléculaire ont été choisis, recommandés pour des application en coagulation sur filtres. Tableau 3 : Caractéristiques des coagulants organiques employés lors des essais sur le site de Maromme Gamme Séries SNF Référence produit PolyDADMAC (Polymère A) Epi-DMA (Polymère B) Floquat FL 4000 PWG Floquat FL 3000 PWG % Matière active FL 4820 PWG 20 FL 3150 PWG OBJECTIF L étude menée en 2004 a traité les aspects suivants : Essais en laboratoire pour déterminer les doses optimales de réactifs coagulants Détermination/confirmation sur site des doses optimales de réactifs déterminées en laboratoire (pour une élimination optimale de la turbidité et de la MO) Bilan qualité des eaux traitées et des rejets Détermination des conditions d exploitation des filtres (durée de cycles, pertes en eau, etc.), particulières à l usage de polymères. Avantages et limites. 4.3 METHODOLOGIE Avant les essais mené en 2004 sur l ensemble de l usine, il avait été envisagé de doser le polymère cationique sur un filtre seul. Cette comparaison entre un filtre avec dosage FeCl 3 seul et un autre avec dosage combiné FeCl 3 + polymères n a pas été techniquement possible. La comparaison n a donc pas été faite conjointement mais à deux périodes différentes sur l ensemble des filtres, avec et sans ajour de polymère cationique. Les deux polymères testés sur site sont ceux évalués à échelle laboratoire et pilote en 2001 : PolyDADMAC et EpiDMA. Le poste de préparation d alginate de l usine à été utilisé pour la préparation et l injection des polymères. Une dilution avec de l eau de service a été nécessaire pour ne pas modifier les consignes de taux de traitement utilisé avec l alginate et pilotées par Topkapi. 16

17 4.4 PRESENTATION DE L USINE La filière de traitement (voir Figure 5) est la suivante : Pré-chloration : Seulement lorsque l ozonation est à l arrêt avec taux de traitement de l ordre de 1,0 g/m 3. Coagulation au FeCl 3 : Le chlorure ferrique est injecté en amont des filtres bicouches à l aide d une boucle d injection. Le réactif est aspiré par un venturi. Le taux de traitement est dépendant de la turbidité de l eau brute (voir tableau 4). Le taux maximum est de 13 g/m 3 de FeCl 3 pur (31 g de solution commerciale/m 3 ) et le taux moyen de l ordre de 3 g/m 3 de FeCl 3 pur (7,3 g de solution commerciale/m 3 ).Une injection d alginate est réalisée quand la turbidité de l eau brute est supérieure à 10 NFU. Tableau 4 : Dose des réactifs en fonction de la qualité de l eau brute Turbidité eau brute (NFU) Taux de FeCl 3 pur (g/m 3 ) Taux d alginate pur (g/m 3 ) ,2 0,2 L eau coagulée est ensuite filtrée sur des filtres bicouches (4 filtres). Les caractéristiques sont les suivantes : Filtration : Surface filtrante unitaire : 32,8 m 2 Vitesse de filtration : 7,6 m/h lorsque tous les filtres sont en fonctionnement et 10,1 m/h lors du lavage de l un d entre eux Couche inférieure composée de sable, hauteur = 0,5 m, taille effective = 0,7 mm Couche supérieure composée de pierre ponce, hauteur = 0,5 m, taille effective = 1,4 mm Mode de régulation : maintien d un niveau constant au dessus du filtre. Déclenchement des lavages : Les lavages sont déclenchés au temps de filtration (48 h) ou à la perte de charge (seuil d alarme 80 cm). Mode de lavage : contre-courant d air seul (55 m/h) suivi d un contre-courant d eau seule (50-55 m/h) avec balayage de surface. Durant l été 2004 l ensemble des filtres a été rénové : changement des matériaux :filtrants sable et pierre ponce, et remplacement des conduites de lavage des filtres par d autres en inox. Ozonation : L eau filtrée est ozonée avec un temps de contact de 15 minutes au débit nominal de m 3 /h dans deux chambres en parallèle Filtration sur charbon actif en grains : L eau ozonée est filtrée sur deux filtres CAG. Le charbon utilisé est du PK 1-3 commercialisé par la société NORIT. Le charbon a été remplacé en mars 1999.Les caractéristiques des filtres sont les suivantes : Surface filtrante unitaire : 44,8 m 2 Hauteur de couche du CAG : 2,8 m 17

18 Vitesse de filtration : 11,2 m/h Division de chaque filtre en 6 cellules de 7,4 m 2 Charge volumique : 4 V/V/h Mode de lavage : contre-courant air seul (55 m/h) et contre-courant d eau seule (25 m/h) Chloration finale : En sortie des filtres CAG, une chloration est assurée avec un taux de traitement de 0,5 g/m 3. Stockage d eau traitée : L eau traitée est ensuite stockée dans deux réservoirs de m 3 qui sont cloisonnés. Le mélange des deux réservoirs alimente selon les besoins les deux usines de refoulement «haute pression» (550 m 3 /h qui dessert Mont St Aignan et Canteleu) et «basse pression» (350 m 3 /h qui dessert Maromme et Deville les Rouen). La filière de traitement est dimensionnée pour un débit de m 3 /h. La production usuelle est plutôt de 900 m 3 /h. La marche et l arrêt de l usine sont asservis aux niveaux bas et haut des deux réservoirs d eau traitées. L usine fonctionne essentiellement la nuit (10 à 12 H /j). Ressources : Les eaux à traiter proviennent : de sources dont le débit total est de l ordre de 400 m 3 /h, de forages dont les débits sont les suivants : F1 = 220 m 3 /h F2 = 350 m 3 /h F3 = 180 m 3 /h Après un arrêt d usine, lors de la remise en route le débit d eau brute suit une progression de 3 paliers. Palier 1 : 5 min Palier 2 : 5 min Palier 3 : 5 min 200 m3/h 350 m3/h 700 m3/h Le mélange des deux eaux brute donne une eau de bonne qualité (2 5 NFU). Lors des périodes pluvieuses, la turbidité peut dépasser 10 NFU, liée à une charge importante en limons, avec peu d impact sur la charge organique. 18

19 Sources FeCl3 Ozonation Filtration sur CAG Polymère Coagulation sur filtres Bicouches (80m 2 ) Distribution Chloration Forages Figure 5 : Schéma de l usine de Maromme 4.5 SUIVI DU PROCESS ET DE LA QUALITE L emplacement des analyseur en ligne de l usine, ceux mis en place par le CIRSEE, et les différents points de prélèvement pour analyse d eau sont portés sur la Figure 6. Les paramètres d évaluation des performances de la filtration sont les suivants : Qualité des eaux filtrées : suivi de la turbidité, de la teneur en micro-organismes et matières organique. Durée d un cycle de filtration : permettant de calculer la production du filtre (UFRV en m 3 /m 2 = durée du cycle (h) x vitesse de filtration (m/h)), la capacité de rétention (en kg/m 3 = (UFRV x MES (mg/l)) / (1000 x hauteur du milieu filtrant (m)). Perte de charge en fonction du temps permettant de suivre l'évolution du front de filtration et de déterminer le type d'encrassement qui s'opère dans la masse filtrante. La vitesse moyenne de montée en perte de charge (en cm/h) est égale à la différence entre la perte de charge en fin de la phase de maturation et en fin de cycle, divisée par la durée du cycle de filtration. Les consignes de traitements appliqués sur site sont ceux établis lors d essais laboratoire préliminaires et résumés dans le Tableau 5. Le polymère A est le PolyDADMAC (20% de matière active), et le Polymère B est l EpiDMA (50% de matière active) (voir Tableau 2). 19

20 Coagulation sur filtres Bicouches (80m 2 ) Sources N 1 Eau filtrée: FeCl3 Mesures usine N 2 Turbidité Ozonation Filtre CAG: Eau ozonée: Mesures CIRSEE NDMA Turbidité: 0-2 NTU Filtration sur CAG Polymère N 3 N 4 Filtre 4: Bactério, COT, UV Eau brute: Bactério, Rejet lavage Filtre 4: COT, UV MES, ph, Fe, P, NTK, DBO5, DCO, Eau brute: Profil Turbidité et MES Mesures usine Turbidité, Filtre 4: débits, Mesures CIRSEE Taux Traitement Turbidité: 0-2 NTU Particules >2µm Réseau: Mesures usine NDMA Perte de charge Forages Distribution Eau traitée avant chloration: Demande en chlore Eau refoulée: COT, UV NDMA Chloration Points de prélèvement: Filière Points de prélèvement: Eaux de lavage du filtre test 4 Analyseurs en ligne: Usine ou CIRSEE Figure 6 : Schéma de l usine de Maromme avec points de prélèvements et analyseurs Tableau 5 : Taux de réactifs FeCl3/Polymère appliqués sur l usine de Maromme 20

21 4.6 PLANNING REALISE Le planning des essais réalisés sur site est porté dans le Tableau 6. Tableau 6 : Planning des essais sur le site de Maromme Année Semaine Date Filtre test Turbidité EB Moyenne - Maxi FeCl 3 Réactifs Polymère A PolyDADMAC 20% (dilué à 2%) Polymère B EpiDMA 50% (dilué à 0.8%) (NFU) (g/m 3 ) (g/m 3 ) (g/m 3 ) 2004 sem au 15 Juil F4 ancien matériau 1, sem Juil au 5 Oct F4 Hors Service sem Oct au 28 Oct F4 nouveau matériau sem 44 à Oct au 15 Nov F4 nouveau matériau 1, sem Nov au 22 Nov F4 nouveau matériau 1, , sem au 29 Nov F4 nouveau matériau 1, , sem 49 à Nov au 20 Dec F4 nouveau matériau 1, , sem au 30 Dec F4 nouveau matériau 10 - >25 2 à , / 2005 sem 53 à 6 30 Dec au 14 Fev F4 nouveau matériau sem 7 14 au 21 Fev F4 nouveau matériau , sem 8 21 au 28 Fev F4 nouveau matériau 1, sem 9 28 Fev au 9 Mars F4 nouveau matériau Remarques : Jusqu au 15 Juillet, le filtre test N 4 était équipé de l ancien matériaux Les valeurs maximales de turbidités correspondent aux pics de turbidité lors des remise en route de l usine. La période de qualité dégradée se situant pendant les périodes de fêtes de fin d année (décembre 2004) et étant de courte durée, il n a pas été possible de tester les deux polymères dans les mêmes conditions. Le coagulant minéral a été augmenté pour traiter cette pointe de turbidité sans pour autant maintenir le rapport avec le polymère comme il était recommandé. 4.7 RESULTATS SUIVI HYDRAULIQUE La combinaison du temps de cycle avec la perte de charge permet de comparer les performances de filtration pour les conditions de traitement avec et sans polymère. Ces résultats sont portés dans les Tableaux 7 et 8 pour les bilan de performances de filtration sans polymère et avec respectivement. Un exemple de suivi de cycles de filtration (suivi du filtre test) est donné figures 7 et 8 pour une production sans ajout de polymère. Les références considérées sont soit une perte de charge de 80cm soit un temps de production de 24h. Les paramètres portés dans les Tableaux 7 et 8 sont les suivants : Temps de filtration (h) nécessaire pour atteindre la consigne de perte de charge Volume passé (m3/m2) avant d atteindre la consigne de perte de charge Colmatage (cm/24h de production) 21

22 4.7.1 Résultats sans polymère Tableau 7 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 seul, sans ajout de Polymère. Suivi sur période 2004(semaines 27-53) et début 2005 (semaines 2-9) Semaine FeCl A B Tfiltration DeltaP= 80cm Colmatage (cm/24h production) Vol passé (m3/m²) à DeltaP=80cm Turbidité Eau Brute (NTU) <1 <2 5 - > <2 <2 2-5 Semaine FeCl A B Tfiltration DeltaP= 80cm Colmatage (cm/24h production) Vol passé (m3/m²) à DeltaP=80cm Turbidité Eau Brute (NTU) <2 <2 <2 Figure 7 : Exemple de suivi de cycle de filtration pour une production sans polymère 50 Temps de filtration (Heures) /7/04 6/7/04 7/7/04 8/7/04 9/7/04 10/7/04 11/7/04 12/7/04 Figure 8 : Exemple de suivi de cycle de filtration pour une production sans polymère 22

23 4.7.2 Résultats avec polymère Tableau 8 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 et ajout de Polymère. Suivi sur période 2004 (semaines 47/53) et début 2005 (semaine 7/8) Semaine FeCl A 0,5 0,5 B 0 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Tfiltration DeltaP= 80cm Colmatage (cm/24h production) Vol passé (m3/m²) à DeltaP=80cm Turbidité Eau Brute (NTU) <2 <1 <1 <1 <1 < Comparaison des performances de filtration avec ou sans polymère La synthèse des données de filtration est portée sur la Figure 9 avec en abscisse le temps de filtration entre deux lavages (déclenchés pour une perte de charge de 80 cm) et en ordonnée la vitesse de colmatage du filtre exprimée en cm/jour de production. Ce graphique met en évidence, pour le traitement des ressources de bonne qualité (< 5 NFU) l intérêt de la combinaison FeCl 3 +polymère A ou B par rapport au traitement par FeCl3 seul dans la maîtrise du colmatage. Les cycles de filtration avec polymère sont allongés ; les durées de cycles sont entre 1,2 et 2 fois celui des cycles sans polymère pour atteindre la même perte de charge finale. Le colmatage du filtre, pour le traitement avec polymère est homogène sur la hauteur du media (pas de colmatage particulier en surface). Les conditions de lavage standards appliquées sur le site sont efficaces pour laver le filtre ayant traitée une eau avec polymère (bonne récupération de la perte de charge initiale après lavage). Cet intérêt des polymères, mis en évidence sur la ressource de bonne qualité, n a pu être testé avec des eaux plus chargée (> 5 NFU) sur une durée suffisante pour être confirmé. L exemple de suivi de courte durée des cycles de filtration en période de ressource de qualité dégradée est illustré Figure 10 et 11. Colmatage (cm / j prod) 90 >25-5NFU 80 5 NFU NFU < 5 NFU T filtration pour atteindre DeltaP=80cm (Heure) FeCl3 2 ppm FeCl3 2ppm ppm Polymère A FeCl3 2ppm ppm Polymères B FeCl3 3 ppm (ancien matériaux) FeCl3 3ppm FeCl3 6 ppm ppm Polym B Figure 9 : Synthèse des performances de filtration du filtre 4 avec FeCl3 ou combinaison FeCl3 + Polymère 23

24 Figure 10 : Suivi de l évolution de la perte de charge du filtre test en période de qualité dégradée de la ressource ; traitement avec FeCl3 et polymère B /12/04 21/12/04 22/12/04 23/12/04 24/12/04 25/12/04 26/12/04 27/12/04 Figure 11 : Suivi de l évolution de la durée des cycles de filtration du filtre test en période de qualité dégradée de la ressource ; traitement avec FeCl3 et polymère B 4.8 RESULTATS : SUIVI QUALITE D EAU En cohérence avec la faible teneur en turbidité de l eau brute, la qualité de la ressource durant les essais menés en 2004 était très bonne pour les paramètres suivis : matières organiques (COT, Absorbance UV voir Figures 12 et 13 respectivement), microorganismes (E.Coli, entérocoques, spore voir Figures 14, 15 et 16 respectivement ). Il n a pas ainsi été possible de mettre en avant l intérêt de la combinaison FeCl 3 +Polymère par rapport au traitement par FeCl 3 seul, sur l élimination renforcée des matières organiques naturelles (MON) ou des micro-organismes. Globalement l élimination des MON par coagulation sur filtre est faible avec ou sans ajout de polymère, et celle des microorganisme bonne voire totale avec ou sans polymère Suivi MON Filière : Campagne de prélèvement sur la filière de traitement. 24

25 Evolution du COT dans la filière de traitement 0,6 2ppm FeCl3-21Fev05 0,5 2ppm FeCl3-22Fev05 COT (mg/l) 0,4 0,3 0,2 0,1 2ppm FeCl ppm A - 19Nov04 2ppm FeCl ppm A - 15Fev05 2ppm FeCl ppm B - 26Nov04 3ppm FeCl3-28Fev05 3ppm FeCl3-01Mars05 3ppm FeCl3-08Mars05 0,0 Eau brute Eau filtrée bicouche F4 Mélange Eau filtrée Eau refoulée et chlorée Figure 12 : Elimination du COT le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants Evolution de l'uv dans la filière de traitement 1,2 2ppm FeCl3-21Fev05 1,0 2ppm FeCl3-22Fev05 UV (m-1) 0,8 0,6 0,4 0,2 2ppm FeCl ppm A - 19Nov04 2ppm FeCl ppm A - 15Fev05 2ppm FeCl ppm B - 26Nov04 3ppm FeCl3-28Fev05 3ppm FeCl3-01Mars05 3ppm FeCl3-08Mars05 0,0 Eau brute Eau filtrée bicouche F4 Mélange Eau filtrée Eau refoulée et chlorée Figure 13 : Elimination de l absorbance UV le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants Suivi micro-organismes Figure 14 : Elimination des Escherichia Coli le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants 25

26 Figure 15 : Elimination des Entérocoques le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants Figure 16 : Elimination des Spores de germes sulfito-reducteurs le long de la filière de traitement de Maromme pour différentes conditions de mise en œuvre de coagulants Demande et cinétique de chlore sur l eau filtrée CAG Il a été mené sur l eau affinée de l usine (sortie des filtres à CAG) des essais en laboratoire de demande en chlore et cinétique de disparition du chlore pour comparer l effet potentiel des polymères sur ces paramètres (augmentation potentielle de la demande en chlore en cas d excès de polymère ou diminution de la demande en cas d une meilleure élimination des MON dissoutes). Sur les figures 17 et 18 sont portées les figures de demandes en chlore effectuées pour les eaux traitées sans polymère et avec ajout de polymère A respectivement. Sur la figure 19 sont portées des cinétiques de consommation de l eau traitée avec le Polymère A. Ces figures montrent qu il n y a pas de différence notable entre les eaux traitées avec ou sans polymère, par rapport à la demande en chlore, très faible dans tous les cas, et la cinétique de consommation du chlore très faible également dans tous les cas. Les résultats obtenus avec le Polymère B sont identiques à ceux obtenus avec le Polymère A. Il serait intéressant de comparer ces valeurs dans le cas de traitement de la ressource de qualité dégradée, ou le dosage de Polymère serait alors plus élevé, et donc l impact potentiel sur ces paramètres plus important. 26

27 Figure 17 : Essais de demande en chlore sur eau traitée sans polymère(essais à différents temps de contact entre 50 minutes et 24h30) Figure 18 : Essais de demande en chlore sur eau traitée avec polymère A (essais à différents temps de contact entre 16 minutes et 24h30) Figure 19 : Cinétique de consommation du chlore (essais à différents taux de chloration exprimée en chlore résiduel) sur eau traitée avec Polymère A 27

28 4.8.4 Suivi Sous produit : NDMA Des analyses de sous produits aminés (NDMA et autres sous-produits) ont été effectuées par le laboratoire CERBIA, pour 3 campagnes menées dans des conditions de traitement différentes, avec polymère A ou B en 2004 ; une campagne a été renouvelée en 2005 avec polymère A. Les analyses ont été effectuées sur eau ozonée, eau traitée chlorée en sortie d usine, et sur un point du réseau correspondant à un temps de séjour important d au moins 24h. Les résultats de ces campagnes sont portés dans le Tableau 9 et sur les figures 20 et 21 pour les campagnes faites avec ajout de Polymère A. Tableau 9 : Résultats des campagnes d analyse de sous produits (NDMA et autres composés) (sem 47) 19/11/2004 (sem 7) 21/02/2005 (sem 48) 26/11/2004 2ppm FeCl3 + 0,5ppm A 2ppm FeCl3 + 0,5ppm A 2ppm FeCl3 + 0,2ppm B O3 Refoulée Réseau O3 Refoulée Réseau O3 Refoulée Réseau µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l NDMA N-Nitroso-diméthyl-amine < 0,015 0,1 0,05 < 0,015 < 0,015 < 0,015 < 0,015 < 0,015 < 0,015 NMEA N-Nitroso-méthyléthyl-amine < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 NDEA N-Nitroso-diéthyl-amine < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 NDPA N-Nitroso-dipropyll-amine < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 NPIP N-Nitroso-pipéridine-amine < 0,03 < 0,03 0,04 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 NPYR N-Nitroso-pyrolidine-amine < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 NMOR N-Nitroso-morpholine-amine < 0,06 0,31 0,24 < 0,06 0,51 0,47 < 0,06 0,12 0,12 NDBA N-Nitroso-dibutyl-amine < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 0,12 0,08 Cases grisées : valeurs au dessus de la limite de détection Polymère A : (Polydadmac FL4820 PWG 20%) Polymère B : (EpiDMA FL3150 PWG 50%) Ces résultats mettent en évidence des traces de NDMA, NPIP et NMOR pour les analyses effectuées lors de la première campagne (avec polymère A) ; lors de la 3 ème campagne avec ce polymères des traces de NMOR et NDBA ont été détectées, mais pas de NDMA. Les analyses effectuées lors de la campagne avec polymère B ont mis en évidences des traces de NMOR. Ces analyses montrent que les polymères cationiques peuvent mener à la formation de sous produits aminés au niveau de l eau traitée après chloration, un plus long contact en réseau n accroît pas la concentration, pour ces conditions de dosages testées : faible taux de polymère ajouté mais excès relatif par rapport à la faible demande en coagulant de la ressource de très bonne qualité. Ces composés ne sont pas soumis à norme sur l eau potable à ce jour en France ni dans d autres pays, mais les USA envisagent d établir à moyen terme, une valeur limite en eau potable pour la NDMA sur l eau traitée (entre 20 et 100 ng/l) du fait de la toxicité des ce composé. Ce risque associé à l utilisation des polymères cationiques est ainsi non négligeable est à considérer dans les limites potentielles d usage de ces réactifs. 28

29 Figure 20 : Résultats de la campagnes d analyse de sous produits (NDMA et autres composés )sur eau ozonée, eau traitée chlorée et eau du réseau du 19/11/04 Figure 21 : Résultats de la campagnes d analyse de sous produits (NDMA et autres composés) sur eau ozonée, eau traitée chlorée et eau du réseau du 21/02/ Bilan rejet Sur le site de Maromme, les eaux de lavages des filtres sont rejetés en milieu naturel. Un bilan qualitatif et quantitatif des polluants (N, P, DBO5) des les eaux issues du lavage des filtres a été fait pour une période correspondante à un traitement de coagulation avec FeCl 3 seul ou en combinaison avec PolyDADMAC ou EpiDMA. Les valeurs des paramètres mesurés lors des campagnes de prélèvement de novembre 2004, février et mars 2005 sont portées sur la Figure 22. La teneur en azote total (NTK) est plus élevée pour les périodes de traitement avec polymères (ajout de réactifs à base d ammonium quaternaire), la teneur en DBO5 est constante quelque soit le traitement, les polymères sont ajoutés en quantité trop faible pour que leur impact soit détectable à ce niveau. L ajout de polymère ne modifie pas la composition globale des rejets. Un autre bilan devra être effectué pour les périodes de production avec une qualité dégradée de la ressource, pour voir l impact potentiel d un dosage plus élevé en polymère sur les rejets. Sur la Figure 23 est portée l évolution de la teneur en MES des eaux issues du lavage d un filtre (filtre test N 4) pour un traitement avec polymère. On observe la bonne efficacité du rinçage puisqu en moins de 3 min la turbidité et les MES sont éliminés. La durée du rinçage est de 7 minutes. Les conditions de lavage des filtres ont été maintenues constant (conditions standard) pour un traitement avec ou sans polymère ; les mêmes profils de turbidité/mes au cours du lavage sont observés pour un traitement avec ou sans polymère. 29

30 Figure 22 : Suivi des rejets lors du lavage des filtres pour différents traitements de coagulation Figure 23 : Exemple de profil de turbidité et de MES effectué sur les eaux de lavages d un filtre 4.9 CONCLUSION Les essais menés en 2004 et 2005 sur le site de Maromme ont confirmé l intérêt des polymères cationiques sur la filtration mis en évidence par les essais pilote menés en 2001 sur ce même site : ces réactifs, en alternative partielle au FeCl 3, ont ainsi un intérêt dans l allongement des cycle de filtration ; l intérêt pressenti de ces polymères pour optimiser le traitement en période pluvieuse (ressource de qualité dégradée avec pointes de turbidité > 10 NFU et matières organiques) n a pu être démontré durant cette période (qualité stable et bonne de la ressource). Un léger excès, para rapport à la demande globale en coagulant, (0,2 ppm au lieu de 0,1 ppm) de polymère sur la ressource peu chargée en particules et matières organiques peut entraîner la formation de traces de NDMA sur eau traitée après chloration finale. 30

31 5 Résultats des essais menés en 2005 sur le site de Gamarde (coagulation sur filtres sable et CAG) 5.1 CONTEXTE La station de traitement d eau potable de Gamarde à St Médart en Jalles (33) traite une eau brute issue de la nappe de l oligocène dans les galeries captantes pour un débit maximum de 700 m 3 /h. La turbidité de l eau brute est en moyenne proche de 1 NFU, c est pourquoi la station possède un traitement de coagulation sur filtre permettant l obtention d une eau présentant une turbidité inférieure à 0.02 NFU. Cependant lors de fortes pluviométries des valeurs de 30 NFU peuvent être enregistrées obligeant l arrêt de la station pour éviter le dépassement des objectifs sur l eau traitée. Pour répondre au principe de précaution établi dans le code de la santé publique soit, en priorité la maîtrise des risques sanitaires liés à une contamination micro-biologique des eaux par Giardia et Cryptosporidium, il a été proposé la modernisation de l usine de Gamarde avec la mise en place d une coagulation sur filtre Charbon Actif en Grain (CAG), en aval de la coagulation sur filtre à sable existante. Les points critiques sont la maîtrise du risque biologique, la réduction de la matière organique vis-à-vis de la réduction du potentiel de formation de sous-produits d oxydation et le traitement des pesticides. Le concept multi barrières avec la mise en œuvre d un étage de filtration complémentaire sur CAG avec coagulation répond aux besoins identifiés. 5.2 OBJECTIFS L objet de l étude était ainsi de tester, au niveau laboratoire, différentes combinaisons de traitement de coagulation sur filtre sable 1 er étage et filtres CAG second étage, pour une qualité finale de l eau traitée optimale. Les études en laboratoire et pilote visent à comparer les performances technicoéconomiques de différents coagulants pour une mise en œuvre en coagulation sur filtre premier ou deuxième étage : le WAC HB (sel d aluminium pré-polymérisé), employé sur site avant les essais, le sulfate d aluminium et plusieurs types de polymères organiques commercialisés par SNF Floerger et agréés pour l eau potable depuis Ce type de traitement privilégie les polymères cationiques de masse moléculaire moyenne, plutôt que faible, pour limiter l encrassement du filtre. Dans chacun des deux gammes PolyDADMAC et EpiDMA, sont choisis deux types de polymères, différenciés par leur masse moléculaire, ainsi qu un produit pré mélangé de PolyAlChloride et polymère cationique. Les caractéristiques principales de tous les produits sont résumées dans le tableau

32 Tableau 10 : Caractéristiques des coagulants testés en coagulation sur filtre sur le site de Gamarde % de matière active ph solution Fournisseur Formulation Polymère coagulant minéral Sulfate d'aluminium Rhodia liquide 8,2 2-2,5 WACHB Orchidis liquide 8,6 2-2,5 PolyDADMAC (cationique) EpiDMA (cationique) Polymère Asp 20 (anionique) FL 4540 SNF Floerger liquide FL 4820 SNF Floerger liquide liquide mélange FL FLB 4550 SNF Floerger PAC18 (31%+69%) 12,4 12,4 0,5-2 FL 2949 SNF Floerger liquide FL 3150 SNF Floerger liquide liquide mélange FL FLB 1750 SNF Floerger PAC18 (26,5%+73,5%) 13,2 13,2 0,5-2 Degremont Erpac liquide 100 neutre Il est important d expliciter et préciser la dénomination des polymères : les coagulants organiques sont de masse moléculaire variable, ainsi 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). Enfin les produits commerciaux de type FL contiennent une part de matière active dont le pourcentage correspond aux deux derniers chiffres (ex : FL4540 contient 40% de matières active). Pour les produits type FLB ces deux derniers chiffres indiquent la proportion des deux réactifs (organique et minéral) du mélange (voir exemple plus bas). Le fournisseur SNF Floerger commercialise deux types de polymères cationiques : les réactifs à base de polymère cationique ; ce sont les polymères de types FL (comme FLoerger) et les mélanges de polymère cationique et coagulant minéral, de type FLB (comme Floerger Blend, i.e., mélangés). Ces mélanges contiennent, du PolyAlChloride (PAC) et un polymère cationique dont la masse moléculaire se rapproche le plus d un polymère type FL de sa catégorie (Polyamine ou PolyDADMAC). Ainsi, pour exemple, le réactif FLB 4550 du tableau 1, est un mélange de FL 4540 et de PAC. La masse moléculaire est moyenne (45), les réactifs du mélange sont en proportion égale (50 %). 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. Ou encore, si x et y sont respectivement les pourcentages de coagulant organique et de PAC dans le mélange, on obtient les équations suivantes : x + y = * x = 0.18* y D où x = 0.31 et y =

33 5.3 DESCRIPTION DES ESSAIS LABORATOIRE Filtration sur sable Les principaux paramètres de qualité de l eau brute du site de Gamarde, utilisée pour les essais en laboratoire en août 2005, sont répertoriés dans le tableau 11. Les objectifs fixés en sortie de colonne de filtration sur sable sont : Turbidité < 0. 3 NFU et suivi de l abattement de l absorbance UV. Tableau 11 : Qualité de l eau brute. Août 2005 ph 7.4 Turbidité (NFU) 1.4 Absorbance (Do.m-1) 4.7 Température ( C) Filtration sur CAG Le tableau 12 résume les principaux paramètres de qualité de l eau filtrée sable, de l usine de Gamarde, utilisée pour les essais en laboratoire en août Les objectifs fixés en sortie de colonne de filtration sur CAG sont : Turbidité < 0.1 NTU Absorbance < 1,5 DO.m-1 (à définir avec exploitant) et COT < 2 mg/l Tableau 12 : Qualité de l eau filtrée sable, usine. Août 2005 ph 7.4 Turbidité (NFU) 0.2 Absorbance (Do.m-1) 4.7 Température ( C) 18 COT (mg/l) Materiel et méthode Le mode opératoire de la coagulation sur filtre consiste tout d abord en l injection du coagulant avec agitation rapide pendant deux minutes. Si un floculant est également rajouté, l injection s effectue 1 minute après celle du coagulant. Les étapes de filtration sur sable et CAG sont réalisées sur des colonnes de diamètre de 2.4 cm (S = 4.5 cm2), remplies sur une hauteur de 30 cm de matériau. Le média filtrant utilisé est le même que sur la station de Gamarde, à savoir un sable de taille effective (TE) 0.95 mm et du CAG F300. La vitesse de filtration est de l ordre de 5 m/h. Enfin, l eau filtrée est recueillie dans un Erlenmeyer de 250 ml après avoir éliminé les 250 premiers ml. Un rétrolavage à l eau du robinet est systématiquement effectué entre deux filtrations pendant cinq minutes. L objectif de l étude est de comparer les performances de différents coagulants en premier et second étage de filtration. Nous garderons la logique de placer le même réactif pour chacun des deux étages. Ainsi, les résultats en absorbance et turbidité des combinaisons suivantes seront comparés : le WAC HB, seul ou avec floculant ASP 20, le sulfate d aluminium seul ou avec floculant ASP 20, le sulfate d aluminium en combinaison avec 33

34 les polymères EpiDMA ou PolyDADMAC et les mélanges à base de PolyAlChloride (PAC) et polymères cationiques (FLB). 5.4 RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : DETERMINATION DES DOSES OPTIMALES DE COAGULANTS EN FILTRATION SUR SABLE ET CAG L utilisation des polymères cationiques nécessite la connaissance des doses optimales en coagulant minéral, dosé seul en tant que réactif de référence. Ainsi, pour la filtration en sable, les doses déterminées pour le WAC HB et le sulfate d aluminium sont respectivement de 6 et 5 ppm. Pour la suite des essais, seul le sulfate d aluminium a été testé puisqu il permet d obtenir des performances proches en terme d abattement de turbidité et de matières organiques, et à coût de réactif, moins élevé que celui obtenu avec le WAC A.Test des «Mélanges» Coagulation sur filtre sable La figure 24 montre les performances des mélanges préparés de polymères cationiques et de PAC en filtration sur sable. Conclusion : Figure 24 : Filtration sur sable-test des FLB Peu de différence entre les deux mélanges testés (FLB 1750 et FLB 4550). Peu d effet du dosage des 2 mélanges testés sur l abattement de la turbidité et de l absorbance la dose optimale recommandée est de 0.5 ppm de réactif FLB avec une légère meilleure efficacité d abattement en turbidité et matières organiques pour le FLB4550 (PolyDADMAC+PACl) Coagulation sur filtre CAG La figure 25 montre les résultats obtenus en filtration sur CAG avec les polymères mélangés. 34

35 Turbidité (NTU) 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 SA seul FLB 4550 ; 1 Evolution de la turbidité et de l'absorbance après filtration sur CAG en fonction de la dose de "mélange" FLB 4550 ; 0,2 FLB 4550 ; 0,1 FLB 4550 ; 0,05 FLB 1750 : 1 FLB 1750 : 0,2 FLB 1750 : 0,1 FLB 1750 : 0,05 turbidité absorbance aluminium dissous Caractéristiques de l'eau brute : PH = 7,5 NTU = 0,33 UV =4,8 Conclusion : Figure 25 : Filtration sur CAG-test FLB Peu de différence entre les deux mélanges testés (FLB 1750 et FLB 4550) sur l abattement de la turbidité. En terme d absorbance le FLB 4550 (à base de PolyDadmac) semble plus efficace que le FLB 1750 (à base d EpiDMA). la dose optimale recommandée est ainsi de 0.1 ppm de réactif FLB avec une légère meilleure efficacité d abattement en matières organiques pour le FLB4550 (PolyDADMAC+PACl). Un dosage plus faible, de l ordre de 0,05 ppm pourrait être également testé sur pilote. 5.5 RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : TESTS DES COMBINAISONS DE REACTIFS : COAGULANT CATIONIQUE + COAGULANT MINERAL Choix des doses de réactifs testées Filtre à sable : dose optimale de SA = 5ppm. 50 % substitution, 1/10 remplacement, soit 2,5 ppm de SA et 0,25 ppm de polymère cationique 75 % substitution, 1/10 de remplacement, soit 1,25 ppm de SA et 0,125 ppm de polymère cationique. Filtre CAG : dose optimale de SA = 2,5 ppm. 50 % substitution, 1/10 remplacement, soit 1,25 ppm de SA et 0,125 ppm de polymère cationique Coagulation sur filtre sable Une première série de filtration permet de tester plusieurs combinaisons afin d évaluer l impact des différents réactifs et des différentes doses (figure 26). 35

36 Conclusion : Turbidité (NTU) Aluminium dissous (mg/l) 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Pe rformances des combinaisons polymère/sa (à différentes doses) filtration sur sable absorbance (DO.m-1) SA seul FL 2949 = 0,25, SA = 2,5 ppm FL 4540 = 0,125, SA = 2,5 FL 4540 = 0,125, SA = 1,25 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 4,1 4 turbidité aluminium absorbance Figure 26 : Filtration sur sable-test des combinaisons à différentes doses Moins bon abattement de la turbidité pour le mélange à base de réactifs SA et FL2949. En terme d absorbance les différents mélanges sont plus performants que le SA seul. 75 % de substitution de SA donne des résultats proches de ceux obtenus avec 50 % de substitution. les doses optimales recommandées pour le mélange de coagulants sont ainsi de : 1.25 ppm de SA et ppm de réactif FL2949 ou FL 4540, avec une meilleure efficacité en abattement de turbidité pour le mélange SA et FL4540. Suite à ce premier choix de la dose optimale : 1,25 ppm de SA + 0,125 ppm de polymère, des tests dans ces conditions de dosage ont été faits avec les différents polymères cationiques (figure 27). Turbidité (NTU) Aluminium dissous (mg/l) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Performances des combinaisons polymère/sa (pour 75% substitution) filtration sur sable SA seul FL 4540 = 0,125, SA = 1,25 FL 4820 = 0,125, SA = 1,25 FL 3150 = 0,125, SA = 1,25 ppm 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 4,1 4 3,9 3,8 absorbance (DO.m-1) turbidité aluminium absorbance Conclusion : Figure 27 : Filtration sur sable-test des combinaisons à 75 % de substitution La combinaison de 1,25 ppm SA + 0,125 polymère est plus performante en abattement de turbidité et matières organiques que le traitement avec 5 ppm de SA seul. Les mélanges à base de PolyDADMAC sont légèrement plus performants que ceux à base d EpiDMA. Le PolyDADMAC FL 4820 permet l obtention des mêmes performances que les autres 36

37 polymères à base de PolyDADMAC alors qu il n a que 20 % de MA. Cependant la combinaison à base de FL 4820 produit un eau traitée à teneur élevée en aluminium dissous (réglementation à 0,2 mg/l) Coagulation sur Filtres CAG Ces mêmes doses : SA 1,25 ppm + 0,125 ppm de Polymère Cationique sont ensuite appliquées en filtration second étage (figure 28). Turbidité (NTU) absorbance (DO.m-1) Aluminium dissous (mg/l) 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 SA seul Performances des mélanges polymère/sa filtration sur CAG FL 3150 FL 4820 turbidité absorbance aluminium Conclusion : Figure 28 : Filtration sur CAG - test des combinaisons Les combinaisons de coagulant à base de 1,25 ppm SA + 0,125 polymère cationique sont plus performantes que le traitement avec coagulant dosé à 2,5 ppm de SA, essentiellement par rapport au paramètre matière organique, toutes les combinaisons permettant d atteindre une valeur d absorbance UV inférieure à 0.15 DO.m RESULTATS : BILAN TECHNICO-ECONOMIQUE Au vu des résultats laboratoire, à performances égales ou très proches, en abattement de turbidité et matière organique, le choix des mélanges à base de PolyDADMAC prémélangés ou réalisés sur place semble plus intéressant que le WAC ou le sulfate d aluminium avec floculant Asp20, si l on considère à la fois le coût et les facilités de mise en œuvre. Le tableau 13 regroupe ainsi les différentes combinaisons testées, avec dosages optimaux et coûts associés des réactifs. D après les résultats des essais menés en laboratoire et les estimations des coûts de réactifs associés, les conditions recommandées pour les tests à mener sur pilote sont ainsi les suivantes : Le réactif FLB 4550 (mélange à base de PC et de PolyDADMAC) à dose de 0.5 ppm sur sable et 0.1 (ou 0.05) ppm sur CAG respectivement. La combinaison SA/FL4540 (PolyDADMAC) à dose de 1.25/0.125 ppm sur sable et CAG. 37

38 Tableau 13 : Bilan technico-économique des essais laboratoire Filtre sable (1 er étage) Filtre charbon (2 ème étage) Qualité eau filtrée Prix total ( /1000 m 3 ) WAC HB/ 6 WAC HB/ 2.5 1,95 SA/ 5 SA/ 2.5 0,8 Produit Prix ( /kg) SA/ 5 SA/ 2.5 (Turb/MO) 1,03 SA Asp20/0,05 +Asp20/0,01 (NFU/DO.m -1 ) WAC HB 0.23 Sable : FL SA/2.5 SA / 1.25 FL ,2/4 FL Réactif/Dose +Polymère Cat +Polymère Cat FL /0.25 Charbon : FL (ppm) / FLB ,15/0,1 FL FL FL FL SA / 1.25 SA / 1.25 FL Polymère Cat / +Polymère Cat FLB FL / ASP FL Mélanges FLB / 0.5 Mélanges FLB / 0.1 FLB FLF Les résultats d abattement en turbidité et matières organiques au niveau des deux étapes de coagulation sur filtre, obtenus en essais batch devront être validés par les essais menés sur pilote. Les essais sur pilote devraient également fournir les données concernant la gestion des filtres (encrassement des filtres dans le temps, durée de cycle, perte en eau ). Il est à noter que tous les essais en laboratoire ont été menés sans ajustement du ph, et donc sans acidification de la ressource. Le ph sur eau traitée est ainsi de l ordre de 8, lié en partie au stripping du CO 2 durant les essais en laboratoire. Les concentrations en aluminium dissous sur eau traitée sont, dans ces conditions, élevées et proches de la valeur limite pour l eau potable. 5.7 RESULTATS DES ESSAIS PILOTE Le pilote est alimenté en eau brute, une première colonne servant de pot de contact reçoit le coagulant, tandis que le floculant est injecté, via un piquage, en tête de colonne à sable. L eau filtrée est récupérée dans un bac de stockage, elle est ensuite pompée et additionnée de coagulant pour être envoyée vers la colonne de charbon actif. Les trois colonnes ont un diamètre de 100 cm et une hauteur de 40 cm. La hauteur de matériau est respectivement de 1m et 1m10 pour le sable et le charbon. La vitesse de filtration sur colonne à sable est de 4 m.h -1, afin de conserver les paramètres de filtration de la station de Gamarde. Les premiers essais pilote sont conduits en faisant varier coagulant et taux de la manière suivante (données délivrées par le personnel de Gamarde résumées dans le tableau 14) : 1 er Essai : WAC à 4 g.m -3 sur sable + ASP 20 à 0,009 g.m -3 sur sable et sur CAG 2 ème Essai : WAC à 6 g.m -3 sur sable + WAC à 2 g.m -3 sur CAG 3 ème Essai : FLB 4550 PWG à 0,5 g.m -3 sur sable + FLB 4550 PWG à 0,1 g.m -3 sur CAG 4 ème Essai : FLB 1750 PWG à 0,5 g.m -3 sur sable + FLB 1750 PWG à 0,1 g.m -3 sur CAG 38

39 Essa i EB Turbidité NTU EF S EF CA G Tableau 14 : Résultats de filtration sur pilote EB Fer mg.l -1 EFS EF CA G EB Aluminium mg.l -1 EF S EF CAG Absorbance UV m -1 EB EFS EF CA G EB COT mg.l -1 EFS EF CAG 0,2 1 1,27 0,18 0,06 0, ,1 6,85 5,61 0,64 2,30 2,30 <LD 2 0,3 2 1,46 0,26 0, ,75 5,60 0,72 2,30 2,30 <LD 0 3 0,90-0,25 0,04 0, ,25 / / / 0,1 4 1,61-0,56 0,04 0,05 0,07 0 0,15 6,78-3,31 / / / 2 Les valeurs de turbidité et d absorbance pour les essais 3 et 4 sur EFS (Eau Filtrée Sable), sont à considérer avec précaution et devront être confirmées sur d autres essais. C est pourquoi, nous avons choisi de ne pas en tenir compte ici. Les essais réalisés avec le WAC donnent de meilleurs résultats, surtout en terme de valeurs d absorbance, que les polymères cationiques. D autre part, il semblerait que le FLB 4550 (essais 3) soit plus performant que le FLB 1750 (essai 4) ; il se rapproche d ailleurs en terme de turbidité des performances obtenues avec le WAC. 5.8 CONCLUSION Les essais menés en laboratoire ont permis de déterminer les conditions optimales en terme de dosage de coagulant pour un meilleur abattement combiné de la turbidité et des matières organiques. Les mélanges de coagulants proposés par SNF (FLB) ont montré leur intérêt technique et économique par rapport au WAC ou SA+Floculant. Ainsi, il est retenu les deux stratégies suivantes : Le réactif FLB 4550 (mélange à base de PC et de PolyDADMAC) à dose de 0.5 ppm sur sable et 0.1 (ou 0.05) ppm sur CAG respectivement. La combinaison SA/FL4540 (PolyDADMAC) à dose de 1.25/0.125 ppm sur sable et CAG. Les premiers essais sur pilote ne sont pas concluants ; les polymères cationiques semblent être à l origine d un colmatage des filtres sur la filière pilote. Cependant, il est possible que ce colmatage soit dû à un mauvais lavage des filtres et/ou à la préparation du coagulant en amont. En effet, il semble, dans la description du pilote apporté par le personnel de Gamarde, qu il n y ait pas d agitation forte du coagulant avec l eau à traiter, avant injection dans la colonne. Les essais avec polymères sont ainsi à poursuivre au niveau du pilote pour confirmer, et les résultats des essais laboratoire. Des essais à l échelle industrielle peuvent être envisagés en 2006 comme cela a déjà été réalisé sur les site de Maromme et de Morsang en 2004/

40 6 Résultats menés en 2005 sur le site de Morsang (clarification par coagulation et décantation) 6.1 ESSAIS LABORATOIRE Planning des essais Les essais laboratoire ont été menés d avril à août 2005, les caractéristiques de l eau brute (Seine) évoluent et les conditions de traitement sur l usine changent tout au long de la période. Les différentes séries de jar test effectuées sont répertoriées dans le tableau 15. Tableau 15 : Planning des essais laboratoire (jar test) Taux en mg/l de produit commercial Date Caractéristiques EB Turbidit é (NTU) Abs (DO/m ) ph SA traitement usine Acide /floculant /charbon SA Optimu m traitement laboratoire polymère Acide /floculant /charbon 25/04-02/05 25>x>15 5, /0,12/7 40 combinaisons oui/non/non 19/05-20/05 <15 6, /0,12/5 40 combinaisons oui/non/non 17/05-23/05 <15 5, /0,12/5 40 combinaisons oui/0,2/7 17/05-20/ , /0,12/7 60 combinaisons oui/non/non 25/04-02/05 9 6, /0,12/7 40 polymère constant/sa variable oui/non/non 15/06-16/06 7 4, /0,12/0 40 combinaisons oui/0,2/dos e variable dose 06/06-21/06 8,7 4, /0,12/0 40 combinaisons variable/no n/non 06/06-07/09 8,7 4, /0,12/0 40 combinaisons oui/non/non Objectifs Taux optimum de substitution et remplacement pour abattements turbidité et absorbance supérieurs ou égaux à ceux du sulfate seul Impact de la dose de charbon Impact de la dose d'acide Impact de la préchloration Protocole d analyse pour l évaluation de l efficacité des polymères Pour chaque échantillon d eau à analyser la dose optimale en sulfate en sulfate d aluminium est déterminée par injection de quantités croissantes de coagulant en Jar Test. Sur l échantillon prélevé ainsi que sur l eau brute, sont effectuées les analyses suivantes : ph, turbidité, TAC, UV après filtration sur membrane de 0,45 µm, aluminium dissous après filtration sur membrane de 0,45 µm. Les incertitudes sur les mesures de turbidité sont évaluées à 0,5 NTU et d absorbance à 0,05 m Résultats d analyses pour le choix du taux de traitement optimal Au terme des différentes séries de jar test réalisées sur l eau brute plus ou moins chargée en turbidité, les taux de substitution et de remplacement optima pour chacun des deux polymères peuvent être déterminés. Sur l ensemble des séries réalisées, il semble que le taux de substitution optimal du sulfate d aluminium, par les deux polymères choisis soit de 30%, même si pour la majeure partie 40

41 des essais d autres taux de substitution entre 30 et 50% sont quasiment aussi performants. En effet, le taux est fixé en tenant compte, non seulement des performances techniques des polymères mais également des coûts supplémentaires induits, que nous développerons plus loin. En ce qui concerne le taux de remplacement, les résultats montrent qu un taux de remplacement de 10% est optimal. Pour ce choix, la différence est plus marquée, puisque pour des taux de remplacements plus élevés, comme 1/2.5 ou moins importants comme 1/20, la qualité de l eau traitée se trouve dégradée. Souvent d ailleurs, la tendance semble montrer une turbidité décroissante et une absorbance croissante pour un taux de remplacement croissant. Un excès de polymère est ainsi néfaste à la qualité de l eau coagulée. Pour la plupart des résultats aux concentrations en polymère avoisinant les doses optimales établies, les performances du sulfate d aluminium seul sont égalées voire dépassées, notamment pour l abattement de la matière organique. La figure 29 montre, pour une substitution à 30% et trois taux de remplacement différents, les performances en turbidité et matière organique obtenues pour chacun des deux polymères comparées aux valeurs obtenues pour le sulfate d aluminium seul. Pour l EpiDMA et le PolyDADMAC, l optimum est obtenu pour un taux de remplacement de 10, si l on se fixe à la fois de bons abattements en absorbance et en turbidité. Comparés au sulfate d aluminium employé seul, les résultats sont meilleurs avec une combinaison de sulfate et polymère cationique. performances des coagulants organiques et minéraux (EB NTU>15) Turbidité (NTU) ou absorbance (DO.m-1) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1/2 SA seul Taux de remplacement (x dans 1/x) Turbidité EpiDMA Absorbance EpiDMA Turbidité PolyDADMAC Absorbance PolyDADMAC Sulfate seul turbidité (1) Sulfate seul absorbance (2) Caractéristiques de l'eau brute : TAC = 19,7 ph = 7,9 Turbidité = 15,6 NTU UV = 5,6 DO.m-1 Figure 29 : Comparaison des performances en turbidité et matière organique entre SA et mélange sulfate/polymère à 30% de substitution et différents taux de remplacement En conclusion, sur l ensemble des séries de jar test effectué, les combinaisons avec les polymères cationiques donnent de meilleurs résultats en turbidité et absorbance que le sulfate d aluminium seul. Le tableau 16 donne les abattements moyens supplémentaires des combinaisons à 30% de substitution et 1/10 de remplacement, pour les trois séries principales. 41

42 Tableau 16 : Abattement supplémentaire, en moyenne, des polymères cationiques comparés au sulfate seul, pour 30% de substitution et 1/10 de remplacement taux 3ème série (NTU<15 avec 1ère série (NTU>15) 2ème série (NTU<15) d'abattement charbon et floculant) (%) SA EpiDMA PolyDADMAC SA EpiDMA PolyDADMAC SA EpiDMA PolyDADMAC turbidité absorbance différence % Turb Abattement Abs La première remarque au vu de ce tableau est que dans la grande majorité des cas, par comparaison avec le sulfate d aluminium seul, les polymères cationiques en substitution partielle au coagulant minéral abattent davantage la turbidité (de 2 à 20%) ainsi que la matière organique (jusqu à 13%). Ces performances dépendent fortement des caractéristiques de l eau brute et des conditions de traitement. En effet, la différence d abattements obtenue dans le cas d une eau très chargée en turbidité, est plus visible que pour une eau de qualité «trop bonne». Les résultats obtenus avec une eau traitée par ajout de charbon et de floculant sont plus faibles car l abattement est atténué par les adjuvants. En terme de turbidité, il n y a pas de prédominance significative d un des deux types de polymère cationique, en revanche concernant l abattement en absorbance, et malgré les résultats relativement variables selon les séries de jar test réalisées, l EpiDMA apporte davantage de bons résultats (entre 0 et 13%) comparé au PolyDADMAC qui donne les mêmes résultats que le sulfate d aluminium seul. En conclusion, ces résultats soulignent les avantages apportés par une combinaison sulfate d aluminium/polymère cationique, avec un intérêt particulier apporté par l EpiDMA, surtout par rapport à ses capacités d abattement en absorbance. Les résultats obtenus pendant les essais sur la filière sur la filière de Morsang seront comparés à ces abattements trouvés en essais batch Impact du traitement sur la performance des polymères Effet du charbon actif en poudre Lorsque la ressource connaît de fortes valeurs en absorbance, l usine injecte du charbon actif en poudre après le coagulant afin d éliminer une partie de la matière organique. Le coût de ce réactif est l un des plus lourd dans le budget de clarification de l eau, c est pourquoi, l intérêt des polymères peut résider également dans la diminution de la demande en charbon actif. Des essais laboratoire ont été réalisés, pour un taux optimal de 40 ppm en sulfate d aluminium, à ph constant, pour différents taux de charbon actif en poudre, avec ajout de floculant ASP25. La figure 30 illustre l incidence de la dose de charbon actif en poudre sur l abattement en absorbance des coagulants minéraux et organiques. Pour parvenir aux mêmes valeurs d abattement en absorbance (35%) et turbidité (70%), un dosage de 40 ppm de sulfate requiert environ 7 ppm de charbon, tandis que la combinaison avec les polymères n en nécessite que 3 ppm pour l EpiDMA et 5 ppm (soit 57% de diminution) pour le PolyDADMAC(soit 30 % de diminution environ). 42

43 Figure 30 : Impact de la dose de charbon actif en poudre sur les performances des polymères cationiques Cette diminution de la dose de charbon est donc à prendre en compte dans le bilan technico-économique final. En effet, le CAP étant l un des réactif les plus chers pour cette étape de traitement, il est possible que le surcoût apporté par le prix des polymères cationiques puisse être compensé uniquement par cette diminution du taux de traitement. Préchloration En période estivale, la prolifération alguale nécessite l injection d une dose de chlore avant le traitement, à hauteur de 2 ppm pour la station de Morsang sur Seine. Ce traitement doit être pris en compte dans l évaluation des performances des polymères cationiques. En effet, les fournisseurs des produits ne peuvent garantir les résultats identiques avec et sans préchloration. Les polymères cationiques et notamment l EpiDMA, semblent, d après la littérature, résistants au chlore et peuvent donc être employés dans l eau pré-chlorée sans activité réductrice. Cependant, après une série de jar test effectuée sur l eau brute préchlorée, sans ajout de charbon actif ni floculant, il s avère que les résultats en abattement d absorbance et surtout de turbidité sont beaucoup moins bons que sans préchloration. De plus, selon les jar test, les résultats d analyse sur l eau traitée sont fortement aléatoires. Le tableau 17 fait le bilan des principaux résultats. Tableau 17 : Résultats d abattement à partir d une eau préchlorée Abattement (%) Différence abattement (%) Date SA (ppm) polymère (ppm) UV (%) turbidité UV (%) turbidité 22-mai 28 1, mai août 28 1, août août 28 1, août sept 28 1, sept N.B. : les abattements sont calculés ici en fonction de l eau brute préchlorée, ce qui n a pas d impact sur les valeurs d abattement en turbidité, mais peut-être sur les valeurs d absorbance Ces expériences sont à refaire, en comparant l abattement de l eau décantée par rapport à l eau brute non chlorée, afin de pouvoir comparer avec précision les résultats. 43

44 Impact des polymères sur l ajustement de ph La coagulation au sulfate d aluminium seul, nécessite de se placer à ph 7-7.2, il est souvent indispensable de rajouter de l acide sulfurique pour maintenir ce ph. Si l on utilise une combinaison sulfate/polymère, le ph est déterminé principalement par le sulfate car les polymères cationiques sont moins acides. Ainsi, pour travailler à ph de 7.2 avec les polymères cationiques, requiert une dose d acide plus importante. Cependant, les résultats laboratoire qui suivent dans la figure 31, montrent que les performances des coagulants organiques sont indépendantes du ph. Figure 31 : Impact de la dose d acide sur la performance des coagulants Dans l exemple de la figure 31, i.e. pour une dose optimale en sulfate d aluminium de 40 ppm, pour se placer au ph de 7.2,en employant du sulfate seul, il faut donc injecter environ 13 ppm d acide. Il faudrait rajouter plus de 10 ppm d acide pour arriver à ce ph avec l utilisation de la combinaison sulfate/polymère cationique. Cependant au vu des résultats en absorbance en fonction de la dose d acide sulfurique injectée, il est possible de travailler à un ph de 7.4 en injectant une dose de 7 ppm d acide pour arriver aux mêmes pourcentages d abattement en turbidité et absorbance obtenus avec le sulfate d aluminium seul, avec un léger avantage pour l EpiDMA. Le traitement en acide peut donc être diminué de 30% environ pour les polymères cationiques. D autre part, sur l usine de Morsang, l eau décantée étant à ph 7,2 environ, le traitement se termine par une remise au ph d équilibre de l eau par de la soude, aux alentours de 7,6. A partir des données récoltées sur l outil OPTIREAC, la dose de soude à appliquer peut être évaluée en fonction de la différence de ph à compenser. La relation obtenue est la droite tracée dans la figure 32 ci-dessous. Feuille de calcul d aide aux exploitants pour dosage des réactifs. 44

45 Dose de soude en fonction de l'ajustement de ph Dose de soude (mg/l) y = 53,155x 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Delta de ph Figure 32 : Traitement final à la soude : remise à ph de l eau Ainsi, dans l exemple pris ci-dessus, en utilisant le sulfate d aluminium seul, le ph doit être remonté d environ 0.3 à 0.4 unités, ce qui correspond à un taux de soude de 16 à 20 ppm. Si l on utilise la combinaison sulfate/polymère, sans ajouter d acide sulfurique lors de la coagulation, le taux de soude peut se réduire à 10 voir 5 ppm. Ces valeurs varient évidemment selon le taux de sulfate appliqué sur la filière, mais pour réaliser une évaluation, la dose de soude peut-être diminuée d environ 50%. En conclusion générale, l utilisation des polymères cationiques permet alors de réduire le coût de total de traitement sur la filière MISE EN PLACE SUR LA FILIERE DE TRAITEMENT Planning des essais et objectifs Les essais avec les polymères cationiques ont été réalisés sur la tranche 2 de l usine (superpulsator/ filtre à sable) de façon à comparer les performances de la clarification sur cette dernière filière à celles obtenues sur les tranches 1 (Pulsator/Filtre CAG) et 3 (Densadeg/Filtre à sable) alimentées avec le coagulant seul. On comparera T1/T2 ou T2/T3 ou T2 avec et sans polymère. Un dosage de coagulant spécifique à chaque tranche est possible par injection au niveau du déversoir pour une température de l eau supérieure à 10 C. Le dosage des réactifs commun aux trois tranches : acide, chlore et soude sera maintenu en conditions standards durant les essais. Les essais sont menés avec les deux polymères : PolyDADMAC FL4440 PWG (solution commerciale à 40% en MA) et EpiDMA FL2550 PWG (solution commerciale à 50% en MA). Le polymère est mis en œuvre en combinaison avec le Sulfate d aluminium au taux défini précédemment : 30% de substitution et 1/10 de remplacement. Le tableau 18 est un récapitulatif des dosages à appliquer sur la station. 45

46 Tableau 18 : Consignes de dosage en coagulant Dose de sulfate optimal (ppm) Dose de sulfate (combinaison) (ppm) Dose de polymère (combinaison) (ppm) 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3 Dose de polymère (ppm de MA) 0,45 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2 1,35 1,5 N.B. : nous attribuons la même valeur de matière active pour les deux polymères alors que les produits ont un taux de matière active différent, mais les essais laboratoire permettent de réaliser cette approximation. Les quantités estimées de réactifs sur une semaine de test avec une production 100% du temps de 3000 m 3 /h sur T2 sont, avec un taux de coagulant en polymère de 30%, un dosage de 2 ppm de polymère en solution commerciale : (2*3000*24*7)/1000 = 1008 kg/ semaine. Si le polymère est dosé à 10% de la solution commerciale, il faut prévoir une pompe doseuse de 10*2*3000 = 60 kg/h (proche de 60 l/h car la densité de la solution mère est proche de 1). La livraison du polymère est réalisée par camion dans une cuve d une tonne, l injection du polymère se fait en ligne asservie par le débit de la tranche 2. Les essais commencent le 18 juillet par deux semaines avec l EpiDMA FL 2550 jusqu au 29 juillet, puis la filière fonctionne pendant deux jours avec du sulfate d aluminium seul. Les essais avec le PolyDADMAC FL 4440 reprennent ensuite du 01 au 10 août. Un courrier d information est adressé à la DDASS (Direction Départemental de l Action Sanitaire et Sociale) de l Essonne, avant mise en œuvre sur site, en leur assurant en particulier un suivi des concentrations en sous-produits potentiels, sur trois points de l eau traitée : après clarification, après ozonation et sur un point du réseau Matériel L entreprise SNF-Floerger définit les meilleures conditions d approvisionnement en réactif du site et de mise en place du poste de dosage et de dilution en ligne, pour la durée des essais. Le polymère est livré en cuve de 1 m 3 (figure 33) et la dilution est faite en ligne, par un dispositif de dilution loué par SNF (figure 34). Le suivi de la tranche 2 est assuré par les capteurs en ligne en place sur l usine (données centralisées sur Topkapi). Un capteur d UV est rajouté sur l eau filtrée de T2 durant les essais. L un des quatre filtres à sable de la tranche 2 (le filtre 24 ou filtre test) est équipé de piquages pour contrôler la perte de charge. Erreur! Figure 33 : Cuve de polymère et pompe de dosage Figure 34 : Dispositif de dilution en ligne 46

47 6.2.3 Analyses Pendant toute la durée des essais des analyses laboratoires sont planifiées, les données des capteurs de pressions sont relevées. Le tableau 19 décrit toutes les analyses et mesures avec leurs fréquences pour la période des essais (polymère et sulfate seul pendant une semaine). Les analyses de la tranche T2 en fonctionnement avec polymère seront comparées aux données de la tranche 1 ainsi qu aux données sur T2 sans polymère. Tableau 19 : Planning des analyses effectuées sur la tranche 2 EB ED EF impair Filtre test ET après ozonation ET avant chloration ET après chloration Eau du réseau Température TopKapi Turbidité TopKapi TopKapi TopKapi TopKapi PH TopKapi COT 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine UV 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine Bactéries 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine SASR 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine Algues 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine Perte de charge TopKapi Gout et/ou odeur 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine 2/semaine NDMA 2/semaine 2/semaine 2/semaine THM 2/semaine Demande en chlore 1/semaine Cohésion de boues 1/semaine sur boues de T Essais complémentaires en prévision Une seconde campagne d étude est à prévoir en période plus dégradée (ressource turbide et chargée en NOM), sur une eau plus froide (10-15 C) en février/mars En effet, la température est un paramètre important influençant trois paramètres principalement : la viscosité des réactifs avec un ralentissement des réactions de coagulation et de la décantation des flocs, la qualité du floc (fragilisation, modification du ph) et les conditions de mise en oeuvre des réactifs (déplacement des points d injection, changement de réactifs selon les saisons). 6.3 RESULTATS DES ESSAIS SUR SITE Evolution des paramètres de qualité Paramètres de l eau brute Les valeurs de température et ph sont restées constantes pendant toute la période des essais avec les polymères cationiques et le sulfate d aluminium seul. Le tableau 20 cidessous donne les valeurs moyennes en température, turbidité, ph, COT et UV de l eau brute pour les trois périodes à comparer. Goût sur eau traitée uniquement et odeur sur EB (Eau Brute), ED (Eau Décantée), EF(Eau filtrée) et ET (Eau traitée) avant et après chloration (<Cl 2 ou >Cl 2). 47

48 Tableau 20 : Paramètres de l eau brute pendant la période d essais (valeurs moyennes) Essais avec Température ( C) Turbidité (NTU) Ph COT(mg/l) UV (DO.m -1 ) EpiDMA 22,74 3,93 7,99 1,72 4,35 PolyDADMAC 21,48 4,14 7,94 1,69 4,15 Sulfate seul 20,30 2,80 7,96 1,70 4,20 Evaluation des performances par comparaison des filières T1 et T2 L abattement de la turbidité du décanteur de la tranche 2 (Superpulsator) peut être, tout d abord, comparé aux performances de celui de la tranche 1 (Pulsator). Lorsque l eau est traitée uniquement avec du sulfate d aluminium, le superpulsator abat davantage la turbidité que le pulsator, or pendant les essais avec les polymères, cette tendance est inversée, avec un avantage pour l abattement de la turbidité par le pulsator (voir figure 35). Cependant, cette différence est faible (moins de 10%) quel que soit le polymère cationique testé. De plus, avant les essais, le pulsator n est pas stable et la qualité de l eau brute à cette période est meilleure que pendant les essais. On ne peut donc pas conclure de manière catégorique sur les performances des décanteurs. Turbidité (NTU) Performances sur la turbidité 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 turbidité EB Turbidité ED2 Turbidité ED temps (jours) Sulfate seul EpiDMA sur T2 PolyDADMAC sur T2 Figure 35 : Abattement de la turbidité des décanteurs des tranches 1 et 2 La comparaison des performances polymères cationiques/sulfate d aluminium seul peut être également évaluée au regard des abattements en turbidité et matière organique du décanteur de la tranche 2. Ainsi, sont répertoriées dans le tableau 21 les valeurs d abattement en COT et UV du décanteur T2 par rapport à l eau brute, ainsi que les performances en abattement de turbidité des décanteurs T1 et T2. Tableau 21 : Comparaison des performances % abattement COT UV Turbidité ED2 Turbidité ED1 EpiDMA 20 28, PolyDADMAC 22 30, SA seul EpiDMA PolyDADMAC Turbidité UV Turbidité UV Différence % abattement 10 6, ,5 Labo : série

49 Il faut tout d abord comparer les performances des polymères cationiques pendant les essais à l échelle industrielle à celles évaluées en laboratoire («labo : série 3»). Concernant l abattement des matières en suspension et colloïdales l écart de performance entre coagulants organique et minéral, montré par les essais batch, est beaucoup moins flagrante. De même l abattement de la matière organique par les polymères organiques et le sulfate seul sont beaucoup plus proche que l avaient prévu les Jar test. Enfin, les 10% supplémentaires d abattement de la turbidité et de la matière organique sont néanmoins non négligeables et montre l intérêt potentiel de polymères organiques sur l amélioration de l étape de clarification. Le choix du polymère cationique, suite aux résultats sur la filière, se porterait sur le PolyDADMAC, contrairement aux conclusions laboratoire. Suivi de la concentration résiduelle en aluminium dissous L aluminium dissous a été suivi durant toute la période des essais et comparé aux valeurs mesurées, soit en période de traitement par du sulfate d aluminium seul, soit sur les autres filières de l usine pendant les essais avec les polymères cationiques. Les résultats des concentrations en aluminium dissous sur l eau décantée sont répertoriés dans le tableau 22. date Tableau 22 : Concentration en aluminium dissous sur les tranches 1 et 2 Dose SA appliquée (ppm) sur T2 /T1 Al dissous ED2 (mg/l) Al dissous ED1 (mg/l) ph ED2 11/3/ ,01 7,35 11/6/ ,02 7,1 15/6/ ,04 7,1 2/7/ ,01 7,4 7/7/ ,03 7,33 8/9/ ,03 7,5 15/9/ ,05 7,45 2/3/ ,01 7,23 22/3/ ,02 7,34 19/7/05 42 / ,087 ph ED1 27/7/05 35 /50 0,063 2/8/05 35 /50 0,073 0,077 7,21 7,07 3/8/05 35 /50 7,1 7,2 8/8/05 35 / ,067 7,03 7,12 10/8/05 28 / 40 0,067 0,095 7,28 7,21 Si l on compare tout d abord, les résultats entre filières, pendant les essais (du 19 juillet au 10 août), il est clair que l eau décantée de la tranche 2 est moins concentrée en aluminium dissous que les autres tranches. Ceci est logique dans le sens où la combinaison polymère cationique/sulfate d aluminium réduit la dose de coagulant minéral injectée. D autre part, les concentrations relevées à la même période de l année en 2004 montre des valeurs légèrement moins élevées que ce soit avec ou sans coagulants organiques. En règle générale, la cause principale des différences de concentrations réside dans la valeur ph de l eau décantée, cependant, ici, rien ne nous permet d expliquer ces concentrations légèrement élevées par cette raison, puisque les valeurs de ph sont restées identiques entre 2004 et Il faut rappeler que pendant les essais, le taux d acide était commun aux trois tranches, c est pourquoi le ph sur la tranche 2 avec les polymères est plus élevé (réactifs moins acides que le sulfate d aluminium). 49

50 Abattement des algues et bactéries Comparé au coagulant minéral seul, les coagulants organiques n ont pas eu d impact plus favorable sur les algues et bactéries. Pourtant la période des essais était l une des plus chargée en algues et bactéries (saison chaude) et les polymères cationiques auraient pu, comme le cite la bibliographie, être beaucoup plus performants, notamment sur les algues. Le tableau 23 donne les moyennes des pourcentages d abattement de chaque coagulant, polymère combiné ou sulfate seul, pour les paramètres : bactéries coliformes, eschericia coli, entérocoques et algues. % abattement Tableau 23 : Moyennes des abattements des algues et bactéries Bactéries coliformes eschericia coli entérocoques SASR Log d'abattement algues EB/ED EBCl 2/ED EBCl 2/ED EBCl 2/ED EBCl 2/ED log(eb/ed) log(ebcl 2/ED) epidma ,3 1,53 polydadmac 100,0 100, ,6 1,53 SA seul 100,0 100, ,6 1,15 Les polymères cationiques semblent avoir un impact plus fort sur l abattement des algues par rapport au coagulant minéral. Sur l ensemble des autres paramètres le PolyDADMAC et le sulfate seul sont de performances égale (100% d abattement dans tous les cas). Enfin, l EpiDMA est légèrement moins performant, lors de la campagne de mesure, que le PolyDADMAC. Rappelons que ces analyses sont ponctuelles et qu elles nécessitent validation par une seconde période d essai par exemple. THM (trihalométhane) et NDMA (N-Nitroso-diméthyl-amine) L une des principales questions concernant l utilisation des poly électrolytes organiques repose sur le potentiel de formation des sous produits de désinfection. En effet, tandis que le but de la clarification est d éliminer la matière organique, le fait d injecter des réactifs organiques peut s avérer contradictoire. Les réactions avec le chlore sont la principale source de formation de sous produits et en particulier de THM (trihalométhanes) composés organiques volatils produits lors de la chloration d une eau. Il a été répertorié des cas de formation de sous produits de désinfection suite à des réactions d oxydation avec des polymères tels que le PolyDADMAC et l EpiDMA. Les paramètres influençant la formation des sous-produits de désinfection sont principalement le taux de chloration et de polymères, le ph ainsi que le temps de contact. Cependant, comparé au taux de sous-produits apportés par la matière organique naturelle, l apport des polymères organiques est négligeable si l on reste dans les conditions de traitement normales d une usine de production d eau potable. (AWWA, 2004). Durant les essais sur la filière de Morsang, des analyses de THM ont été régulièrement effectuées sur T2 après chloration. Les études ont portées sur quatre produits, à savoir le bromoforme, le dichlorobromométhane, le chloroforme et le dibromochlorométhane. Abattement selon l eau brute «EB» ou l eau brute pré chlorée «EBCl 2» 50

51 En évaluant la somme des THM pour les trois coagulants (figure 36), il semble que les polymères, et en particuliers l EpiDMA, forment moins de sous-produits que le coagulant minéral seul. Cela confirme les valeurs d abattement de la matière organique, supérieures pour les coagulants organiques. Pourtant, la demande en chlore évaluée sur l eau décantée traçant la concentration du chlore, libre ou total, résiduel en fonction de la dose injectée montre que pendant les essais avec l EpiDMA, la demande était plus élevée (pente 0.1) tandis que pour le polydadmac et le sulfate, il semble qu il y ait la même demande (pente de 0.4). concentration (micro g/l) Composés organo halogénés sur ET>Cl2 EpiDMA PolyDADMAC SA Figure 36 : THM totaux (sur l eau traitée de T2 après chloration) Concernant les études sur la filière de Morsang-sur-Seine, les analyses n ont décelées aucune formation de NDMA en concentration supérieure au seuil de détection analytique (15 ng/l). Lors des précédentes études, sur la station d eau potable de Maromme, un sousproduit de la même famille que la NDMA, le NMOR (N-Nitroso-morpholine) avait été détecté. Lors des essais sur Morsang aucun des produits se rapprochant de la NDMA (8 composés) n a été décelé aussi bien sur eau ozonée de T2, que sur l eau traitée après chloration de T2 et sur l eau du réseau Impact des polymères sur le colmatage des filtres à sable Les polymères cationiques étant susceptibles d avoir un impact, de part leur masse moléculaire importante, sur le temps de maturation des filtres à sable, un suivi de la filtration est effectué. La durée d un cycle de filtration fournit des données sur la production du filtre, sa capacité de rétention et les volumes d eau utilisés pour le lavage des filtres. La perte de charge en fonction du temps et à différents niveaux dans le filtre, permet de suivre l évolution du front de filtration, et de déterminer le type d encrassement qui s opère dans la masse filtrante. Durant les essais, la consigne de lavage des filtres a été modifiée : les filtres étaient lavés au temps (24h) dans les premiers jours, puis à la perte de charge (2,5 mce). La modification a été faite au milieu des essais avec le polymère cationique EpiDMA. Nous avons alors des résultats avec les deux types de consignes pour l EpiDMA et le fonctionnement sans polymère, tandis que les essais avec le PolyDADMAC sont uniquement réalisés avec la consigne à la perte de charge. 51

52 Analyse des cycles de filtration : Les résultats moyens, sur environ quatre cycles, en période filtration avec consigne à la perte de charge, sont consignés dans le tableau 24, avec une évaluation du volume d eau traitée par cycle de filtration, sur les quatre filtres de 20m 2 chacun. Les résultats obtenus avec le PolyDADMAC sont comparables à ceux obtenus avec le sulfate d aluminium seul avec près de m 3 passés en deux jours. Au contraire, l EpiDMA donne un volume traité deux fois moins important et le filtre est lavé à 60% du temps des deux autres coagulants. Tableau 24 : Temps et volumes d eau passés pour un cycle de filtration (consigne à la perte de charge) EpiDMA PolyDADMAC SA Débits moyens (m 3 /h) temps d'un cycle (h) temps d'un cycle (jour) 1,4 2,2 2,3 Volume passés par cycle (m 3 /m 2 ) La figure 37 représente les courbes de pertes de charge pour chacun des polymères et le sulfate d aluminium seul pendant un cycle de filtration. Ces cycles sont des exemples pris au hasard pendant la période d essai ; pour ces cycles, le sulfate d aluminium permet de réaliser des cycles de filtration plus long que les polymères cationiques, et notamment que le PolyDADMAC. De manière générale, l EpiDMA est le plus colmatant et le sulfate d aluminium et le polydadmac sont proches en performance (tableau 24). Evolution de la perte de charge totale en fonction du temps consigne perte de charge perte de charge (mce) 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, PolyDADMAC EpiDMA Sulfate seul 400 temps Figure 37 : Evolution de la perte de charge sur le filtre 24 Lors du lavage à 24h, le seuil de production de 2,5 mce n est jamais atteint. Les pertes de charge maxima enregistrées pour EpiDMA et le fonctionnement sans polymère organique sont respectivement de 1,76 et 2,34mCE. Le polymère semble réduire de 30% l encrassement du filtre. Ces résultats ne permettent pas de conclure sur la diminution des cycles de filtration, au contraire, il semblerait que le sulfate d aluminium seul, pendant la période des essais ait été plus performant que les polymères cationiques. 52

53 Vitesse moyenne de montée en perte de charge (pdc) : Vitesse = pdc. en. fin. de. phase. de. maturation.. pdc. début. de. phase. de. maturation durée. du. cycle Les vitesses moyennes calculées à partir des différents cycles de filtration du filtre test (voir tableau 25 et schéma des piquages des capteurs du filtre 24 sur Figure 38), montre que les polymères n ont pas d impact négatif sur la perte de charge, et ce quelque soit la hauteur de piquage sur le filtre. En effet, il avait été envisagé que l importance des molécules dans coagulants organiques aurait eu tendance à faire se colmater plus rapidement la partie supérieure du filtre. Tableau 25 : Vitesses moyennes de montée en perte de charge (mce/h) Piquages avant essais 0,04 0,04 0,07 EpiDMA 0,02 0,03 0,03 PolyDADMAC 0,03 0,03 0,04 après les essais 0,02 0,03 0,03 Figure 38 : Schéma des piquages Impact des polymères sur la qualité/quantité de boues La coagulation aux sels métalliques, bien que très efficace produit une excessive production de boues. En employant les coagulants organiques, la quantité de sels retrouvée dans les boues est réduite dans les mêmes proportions que le taux de substitution choisi. L objectif est d apprécier les changements attendus avec des essais sur une seule filière de la station afin de s assurer principalement que la valorisation de ces boues, pas épandage agricole, sera toujours possible. 53

54 Qualité des boues : analyse laboratoire Les échantillons de boues prélevées dans le décanteur de la tranche 2 sont envoyés pour analyses à Agro Développement, filiale de SITA spécialisée dans le traitement et l analyse de boues de tout type. Les analyses suivantes sont effectuées sur les sédiments de potabilisation : Une étude de leur valeur agronomique : matière sèche, matière organique, azote total, azote ammoniacal, rapport C/N, ph éléments totaux (phosphore, potassium, calcium, magnésium, soufre, sodium). Une évaluation des concentrations en éléments traces métalliques : Cuivre, Zinc, Cadmium, Nickel, Plomb, Mercure et Chrome. Une analyse des composés traces organiques : 7 Polychlorobiphényles (PCB) et 3 Hydrocarbures Polycycliques Aromatiques (HAP). Une interprétation des résultats sera rédigée par le laboratoire d analyse prochainement. Cependant, certains paramètres marquent réellement une différence de qualité entre les trois périodes. Les rapports MO/N et C/N sont environ 10 fois plus élevés lors d un traitement au sulfate d aluminium seul. Il y a donc 10 fois plus d azote organique dans les boues traitées au sulfate seul. D autre part deux résultats d analyse sont remarquables : tout d abord, les proportions en sulfate d aluminium sont entre 2 et 4.5 fois plus élevées pour les essais avec polymères cationiques. En effet, la réduction du volume de boue due à la diminution du taux du coagulant minéral entraîne une proportion en aluminium plus importante. Enfin, concernant les analyses de métaux lourds, des valeurs anormalement supérieure à la normalement sont consignées en chrome, zinc, nickel en particulier. L origine de ces traces en métaux lourds pourrait être liée à la concentration dans les boues de ces métaux présents dans l eau à l état de traces : les polymères cationiques permettraient de mieux retenir ces métaux que le coagulant minéral seul. Cette hypothèse est à valider par d autres essais, avec évaluation des concentrations en métaux lourds sur l eau décantée également. Quantité des boues : cohésion de boue Le principe de la mesure de la cohésion de boue est de mesurer des vitesses ascensionnelles de l eau qui correspondent à différents états d expansion de la boue. Pour cela, on mesure le temps T correspondant à l introduction de 100 ml d eau pour différents volumes apparents Ve de la boue. Cette mesure permet de déduire la vitesse ascensionnelle que l on adopter dans un décanteur industriel à lit de boue. Le tracé du graphique v = f (Ve) permet également de mesurer le volume de la boue tassée (V0) correspondant à un vitesse nulle. Pour une boue bien constituée de décantation rapide, la valeur du coefficient K peut atteindre 0,8 à 1,2. Au contraire, pour une boue constituée de flocs fragiles, légers et riches en eau, la valeur du coefficient K peut ne pas excéder 0,3. La mesure de ce coefficient constitue donc un renseignement précieux pour connaître la façon dont les précipités se comportent dans un décanteur à «contact de boue» et pour déterminer l influence d un adjuvant de floculation. Le bilan des analyses de cohésion de boue porté dans le tableau 26 ci-après, ne permet pas de retrouver les conclusions de la bibliographie mettant en évidence l intérêt des polymères sur ce coefficient. Les valeurs de cohésion de boues sont dans tous les cas compris dans la fourchette caractéristique des boues de bonne qualité qui décantent rapidement. La différence entre les coefficients K et les volumes V0 des boues du décanteur T2 pour chacun des polymères et en période normale est très peu significative. 54

55 Tableau 26 : Analyses des cohésions de boues du décanteur T2 Date Niveau boue Température % de volume coef K V0 Taux de sulfate T2 (ppm) 15-juin ,5 28 0,8 56,4 50 (SA seul) 15-juin ,5 29 0,9 70,3 50 (SA seul) 16-juin ,5 23 0,7 50,7 50 (SA seul) 24-juin (SA seul) 18-juil , (EpiDMA) 26-juil , (EpiDMA) 03-août ,5 35 (PolyDADMAC) 08-août , (PolyDADMAC) 16-août ,1 58,4 60 (SA seul) 22-août ,5 88,4 60 (SA seul) 6.4 BILAN TECHNICO-ECONOMIQUE Afin de réaliser une note technico-économique, le prix de chaque combinaison possible est évalué et comparer avec le prix d un traitement au sulfate d aluminium seul. Ainsi, l annexe répertorie les prix des trois coagulants utilisés et affiche la différence de prix entre le choix d une combinaison à différents taux de substitution et de remplacement, et le choix du sulfate d aluminium seul. En choisissant les combinaisons à 30% de substitution et 1/10 de remplacement, le surcoût obtenu (de la combinaison par rapport au sulfate seul), respectivement pour l EpiDMA et le PolyDADMAC est de 22 et 27%. Les économies de réactifs (acide, charbon et soude) déterminées précédemment, en laboratoire sur eau dégradée, sont reprises dans le tableau27, et sont également comparées aux dépenses réalisées pendant les essais sur la filière («période été»). Tableau 27 : Evaluation de l économie de réactifs taux optimal sulfate 40 ppm Débit 2000 m 3 /h Rappel des taux de traitement prix des réactifs ( /T) sulfate EpiDMA PolyDADMAC Acide charbon soude sulfate Période d'aluminium / / dégradée EpiDMA / 1, (essais PolyDADMAC 1890 laboratoire) 28 1,2 / acide 98 Période 40 / / charbon actif 1270 "été" (essais 28 / 1, soude 100 sur site) 28 1,2 / sulfate EpiDMA PolyDADMAC Acide charbon soude Taux en ppm ,2 1, (T/semaine) , , prix /semaine Estimation PolyDADMA SA seul économique C différence (%) EpiDM A différenc e (%) "dégradée" "été"

56 La balance obtenue lors des essais sur site, sans charbon mais sans diminution d acide, est négative : le surcoût est respectivement de 16 et 19% pour l EpiDMA et le PolyDADMAC. Au contraire, en tenant compte des évaluations d économie de charbon actif réalisées en période dégradée, le bilan devient positif, avec respectivement 36 et 18% de gain pour l EpiDMA et le PolyDADMAC. L EpiDMA est donc plus avantageux de part son prix et ses performances. 6.5 CONCLUSION Pour les taux optima choisis, 30% de substitution et 1/10 de remplacement, les valeurs de l eau décantée en turbidité mais aussi en terme de matière organique sont réduites respectivement de 25 et 17 % par rapport aux performances du coagulant minéral seul. Cependant, l étude à l échelle industrielle n a pas validé les conclusions des résultats laboratoire. En effet, les abattements en turbidité et matière organiques obtenues sur la filière de traitement sont moins élevés que prévus. L élimination supplémentaire est néanmoins appréciable face aux demandes de plus en plus exigeantes de la réglementation. Concernant les impacts sur les bactéries ou les algues, les polymères cationiques n apportent pas de différence significative avec le type de ressource sur lequel les coagulants ont été testés. Les inconvénients majeurs qui résultent des essais sur site, reposent sur la gestion du décanteur et les qualités/quantités de boues. Sur le plan économique, les études laboratoire démontrent la possibilité de réduire les quantités de réactifs habituellement ajoutés pour améliorer les conditions de clarification, comme le charbon actif, l acide et la soude, spécialement quand la ressource est difficile à traiter : en période froide et forte teneur en turbidité et MON dissoutes. Ainsi, malgré le surcoût, d environ 25%, apporté par le prix des coagulants organiques, la balance économique devient positive en tenant compte des économies de réactifs, en particulier du CAP, avec un gain de 36 et 18% respectivement pour l EpiDMA et le PolyDADMAC. Les essais programmées en période froide (hiver 2006, février-mars) devraient confirmer l interet technique et économique de ces réactifs pour traiter la ressource de qualité dégradée. 56

57 7 Conclusion générale L objectif global de l étude menée était d apporter une solution pour fiabiliser le procédé de clarification. L intérêt potentiel des coagulants organiques cationiques a ainsi été étudié, pour l optimisation des performances de la clarification en terme d élimination de la turbidité, des particules, mais aussi de la matière organique. Cette étude est menée par le CIRSEE depuis 2001 avec le support financier de l AESN. Ce rapport a fait la synthèse de la phase 3 du projet, couvrant la période d essais menés en 2004 et 2005 en lien avec les sites de production de Maromme (coagulation sur filtres), Gamarde (coagulation sur filtres de premier et second étage) et Morsang (coagulation/décantation). Les polymères testés ont été des EpiDMA et des PolyDADMAC, agréés en France pour l eau potable depuis 2004, et commercialisés par SNF Floerger, avec monopole de ce fournisseur pour le marché français. Ces réactifs sont employés pour substituer une partie du sel métallique habituellement appliqué comme coagulant. Des essais de coagulation sur filtre et de coagulation/décantation ont été réalisés à l échelle laboratoire pour déterminer les dosages optimaux des réactifs ; les meilleures combinaisons ont ensuite été testées sur pilote (site de Gamarde) ou à l échelle industrielle (sites de Maromme et Morsang). Des résultats générés en laboratoire, sur pilote et sur site durant cette phase de tests industriels, il est possible de tirer ces principales conclusions quant à l intérêt de la mise en œuvre à échelle industrielle des polymères cationiques en clarification : Pour chacun des projets suivis, il s avère que les conclusions tirées des essais en laboratoire ne peuvent être directement extrapolées aux performance attendues sur pilote ou sur site industriel. Les réactifs EpiDMA et PolyDADMAC, à taux de matière active équivalente, ont des performances comparables en élimination de turbidité et matières organiques. Un polymère de masse moléculaire moyenne est recommandé pour les applications en traitement d eau de surface par coagulation/décantation, une masse plus élevée est préconisée pour le traitement d eaux souterraines par coagulation sur filtres. En coagulation sur filtre (cas de Maromme) : ces réactifs, en alternative partielle au FeCl 3, ont un intérêt dans l allongement des cycle de filtration ; l intérêt pressenti de ces polymères pour optimiser le traitement en période pluvieuse (ressource de qualité dégradée avec pointes de turbidité > 10 NFU et matières organiques) n a pu être démontré durant cette période (qualité stable et bonne de la ressource durant la période 2004/2005). Un léger excès (0,2 ppm au lieu de 0,1 ppm) de polymère sur des eaux peu chargées en particule et matières organiques traitées par coagulation sur filtre (cas de Maromme) peut entraîner la formation de traces de NDMA sur eau traitée après chloration. 57

58 En coagulation sur filtres premier étage (sable) et second étage (CAG) (site de Gamarde), les mélanges préparés de réactifs (sels d Al et polymère cationique) vendus par SNF ont un intérêt technique et économique par rapport au coagulant minéral seul (WAC). Cet intérêt démontré en laboratoire doit être validé à échelle industrielle. En coagulation/décantation testé sur l usine de Morsang, il n y a peu d intérêt technico-économique à remplacer partiellement le sulfate d aluminium par un coagulant organique, en période estivale, quand la ressource est de bonne qualité et facile à traiter. L intérêt potentiel des polymères cationiques pour traiter la ressource de qualité dégradée a été mise en évidence en laboratoire et sera testée sur site, en hiver, en Suite aux derniers essais programmés sur le site de Morsang en 2006, la synthèse des résultats de l ensemble du projet mené sur la période 2001/2005 sera établie, avec recommandations de mise en oeuvre de ces réactifs, avantages et limitations de ces réactifs, pour l optimisation de la clarification appliquée aux eaux de surface ou aux eaux souterraines. 58

59 8 Bibliographie Compte-rendus, projets BAUDIN I - Green Chemistry Project, Actions in BAUDIN I., CAUDRON C., RODRIGUES J - Objectif 0.3 NTU en eau traitée, utilisation des polymères cationiques. Bilan de la phase 2 - p ;31. 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) ; p BAUDIN I., RODRIGUES Jean-Michel - Mise en œuvre de Polymères Cationiques sur l usine de Morasng - 23/02/2005 ; p.3-4 ; 7-9 ; BAUDIN I., RODRIGUES Jean-Michel - Proposition d études AESN 2005 : Objectif 0.3 NTU en eau traitée, utilisation de polymère cationique, Suite et fin de la 3 ème phase : mise en œuvre sur site industriel à Morsang-sur-Seine. Synthèse de l ensemble du projet - 29/11/2004. BAUDIN I., RODRIGUES Jean-Michel - Revue de projet «polymères cationiques» - 13/12/2004. BERNAZEAU F. - Traitement des rejets de Morsang sur Seine CAMPOS C., GISLETTE P. - Audit de fonctionnement de l usine de Morsang - 19/03/2003 ; p.8. DAUTHUILLE P., MOSNIER F., MARTEL J.L. Pratique Recommandée, Choix de la filière boues (épaississement, stabilisation et déshydratation) 25/03/2004. Degrémont Morsang sur Seine, traitement des boues, Notice provisoire d entretien et d exploitation DELARUE David Rapport d activités année 1995, Valorisation Agricole des Boues de Potabilisation de l Usine de Morsang sur Seine janvier 1996 Lyonnaise des eaux Dumez Morsang sur Seine. DEVEUGHELE S. - Optimisation des coûts de fonctionnement à l usine de Morsang-sur-Seine, développement de l outil OPTIMEX - 29/09/2003. GABARD N., BERNAZEAU F.- Test of new coagulants - 21/11/2001. GABARD N., CAUDRON C. - Objectif 0.3 NTU en eau traitée utilisation des polymères cationiques - 17/10/2002 ; p. 7 ; 9-11 ; ; JANIN F. Rapport de stage, Eaux du sud Parisien, Usine de Morsang sur Seine, Mise en route d un Epaississeur de boues 2000/2001. Lyonnaise des eaux, Usine de Morsang sur Seine, traitement des boues - Exposé technique MONGET C. L Etude des boues des stations d eau potable d eau du sud Parisien mai janvier 1998 Master Engref, gestion de la ressource en eau. Note de Synthèse, Usine de Morsang Sue Seine : Etude Pilote de traitement des rejets. TAUDOU O. Guide Technique, Problématique concernant les boues issues de traitement d eau potable, Une aide à la caractérisation des boues : 6 cahiers techniques pour 6 filières de traitement ZIMMERING L. Contribution à l étude de polymères cationiques d acrylamide

60 Revues, articles et ouvrages ALINCE B. et al Deposition of calcium carbonate particles on fiber surfaces induced by cationic polyelectrolyte and bentonite Physicochemical and Engineering Aspects - Vol 190 pp AMMARY B., CLEASBY J.L. Effect of addition sequence on dual-coagulant performance 2004 Journal AWWA - vol 96, no 2. ARIFFIN A. et al Synthetic Polyectrolytes of varying charge densities but similar molar mass based on acrylamide and their applications on palm oil mill effluent treatment 2005 Desalination, Vol 173, pp BACHE D.H. et al. - Floc characterisation at Full Scale : The case of Humic. Waters. BATCHELOR B. and YANG P. Technical note : trihalomethane formation potential by coagulation with activated silica and cationic polymer 1982 AWWA. BEARDSLEY J. - Use of Polymer in Municial Water Treatment 1972 AWWA. BECKER NSC., BOOKER NA. Et al. - The role of Organic Polyelectrolytes in high Rate Alternatives to Primary Separation. BENNETT D.M., BOLTO B.A. et al. Determining the Fae of floculants by fluorescente Tagging CSIRO. BERNHARDT H and CLASEN J. Investigations into flocculation mechaniss of small algal cells Aqua - Vol 43, no 5, pp BETBY J. Coagulation and flocculation, with emphasis on water an wastewater treatment. BOB M., WALKER H.W - Effect of natural organic coatings on the polymer-induced coagulation of colloidal particles Physicochemical and Engineering Aspects - Vol 177 pp BOB M., WALKER H.W. - Enhaced adsorption of natural organic matter on calcium carbonate particle through surface charge modification Physicochemical and Engineering Aspects - Vol 191 pp BOLTO B, ABBT-BRAUN G. et al - Experimental evaluation of cationic polyelectrolytes for removing natural organic matter from water Water res. - Vol 40 no 9, pp BOLTO B. et al. Cationic Polymer and Clay or Metal Oxide Combinaisons for Natural Organic Matter Removal Wat. Res - Vol 35 no 11 pp CHANG E.E. et al. Effects of polydiallyldimethyl ammonium chloride coagulant on formation of chlorimated by products in drinking water 1999 chemosphere, Vol 39, no 8, pp CHANG M. et al Conditioning characteristics of kaolin sludge with different cationic polyelectrolytes Physicochemical and Engineering Aspects - Vol 139 pp CHU C.P., LEE D.J. and CHANG C.Y. Thermal pyrolisis characteristics of polymer flocculated waste activates sludge 2001 Water res. Vol 35, no 1, pp Committee Report : Characterization of inorganic coagulant / Polymer Blends, using refractive index and specific gravity measurements 2004 journal AWWA, Vol 96, no 4. CRETON C - Mechanical Properties of Polymer Interfaces DENTEL S., GUCCIARDI B., BOBER T et al. - Procedures manual for Polymer Selection in Water Treatment Plants - 10/ American Water Works Association (AWWA). DUGAN N.R., WILLIAMS D.J. Removal of Crysporidium by in-line filtration : effects of coagulant type, filter loading rate and temperature 2004 Journal of Water Supply : Research and technologie AQUA, Vol 53, no 1. 60

61 EIKEBROKK B Effects of Coagulant Type and Coagulation Conditions on NOM Removal from Drinking Water SINTEF Civil and Environmental Engineering. EIKEBROKK B. - Coagulation- direct filtration of soft, low alkalinity humic waters Wat. Sci. Tech - Vol 40, no 9, pp EIKEBROKK B., SALTNES T - NOM removal from drinking water by chitosan coagulation and filtration throught ligweight expanded clay aggregate filters Journal of Water Supply : Research and Technology AQUA - Vol 51 no 6. FARINATO R., DUBIN P.L - Colloid-Polymer Interactions. From Fundamentals to practice FIELDING M;, HUTCHISON J. et al - analytical Methods for Polymers and their Oxidative By- Products AWWA. FITZPATRICK C.S.B. et al Temperature effects on flocculation, using different coagulants Water sciences and technology - Vol 50, no 12, pp GABELICH C. J., et al Testing of drinking water Treatment Co- Polymers for Ccompatibility with Polyamide Reverse Osmosis Membranes th World Filtration Congress, New Orleans. GANJIDOUST H., TATSUMI K. et al - Effect of synthetic and natural coagulant on lignin removal from pulp and paper wastewater Wat. Sci. Tech. - Vol 35 no 2-3 pp GAO B. et al Properties and Evaluation of Polyferric-Silicate-Sulfate (PFSS) Coagulant as a Coagulant for Water Treatment Nalco Global Research. GHIMICI L., DRANCA I., DRAGAN S. et al Hydrophobically modified cationic polyelectrolytes 2001 European Polymer Journal Vol 37, pp GHOSH M. et al. Polyelectrolyte Selection for Water Treatment GLASGOW L., LIU S.X - Effects of macromolecular conformation upon solid-liquid separation and water treatment plant residuals Environmental technology - Vol 16 pp GRAY K., BERNAZEAU F and HUBELE C - Upgrading a slow sand filtration plant for micropollutant removal : use of direct filtration prior to granular activated carbon for reduction of total organic carbon /09/ Water Supply - Vol 7, Barcelona, pp HAARHOFF J and CLEASBY J.L., Member, ASCE - Direct Filtration of Chorellawith Cationic Polymer. HAARHOFF J., CLEASBY J.L. Direct Filtration of Choralla with Cationic Polymer 1989 J. Env. Eng., - Vol, 115, no 2. HWANG Y., TANAKA T - Control of Microthrix Parvicella foaming in activated sludge Water res - Vol 32 no 5 pp KAM S., GREGORY J. Charge determination of synthetic cationic polyelectrolytes by colloid titration Physicochemical and Engineering Aspects - Vol 159 pp KAM S., GREGORY J. - The interaction of humic substances with cationic polyelectrolytes Water Res. - Vol 35 no 15, pp KARR P et al Algal Blooms and Organics, a Case Study for Enhanced Coagulation 1997 AWWA. KELLIL A., EDDOUAOUDA K. - Etude comparative de la nature du floculant sur la performance de la filtration directe d une suspension Tribune de l eau - no 615/1. KVINNESLAND T and ǾDEGAARD H. The effect of polymer characteristics on nano particle separation in humic substances removal by cationic polymer coagulation Water sciences and technology - Vol 50, no 12, pp

62 LAFUMA F. The role of water-soluble polymers at the solid/liquid interface in the mechanisms of flocculation/stabilization of aqueous colloidal suspensions 1998 Polimery, Vol 43, no 2. LEE C.H., LIU J. C. - Enhanced sludge dewatering by dual polyelectrolytes conditionig Wat. Res - Vol 34, no 18, pp LEGRANG V., HOURDET D. et al - Deswelling and flocculation of gel networks : application to sludge dewatering Wat. Res - Vol 32 no 12 pp Les polymères renouvellent leurs combinaisons L usine nouvelle no LETTERMAN R.D. and PERO R. W. Contaminants in Polyelectrlytes Used in Water Treatment LETTERMAN R.D. et al Direct Using Polyelectrolyte Coagulants AWWA, Water Technologie/ Quality. LICSKO I. Coagulation mechanisms, nano and microprocesses Water sciences and technology - Vol 50, no 12, pp LURIE M an d REBHUN M. Effect of properties of polyelectrolytes on their interaction with particulates and soluble organics Water sciences and technology - Vol 36, no 4, pp MAGDASSI S., RODEL B.Z - Floculation of montmorillonite dispersions based on surfactantpolymer interactions Physicochemical and Engineering Aspects - Vol 152 pp MASSCHELEIN W.J. et al.- Traitement des Boues des stations d Epuration d eau, La boues en tant que facteur de concentration et de fixation des polluants 1982 Trib. Cebedeau, Vol 450, no 34, pp MCCONNACHIE et al. - Field trials of appropriate hydraulic flocculation processes Wat. Res - Vol 33, no 6 pp MELS A.R., VAN NIEUWENHUIJZEN A. AF. - Cationic Organic Polymers for Flocculation of Municipal Wastewater, Experience and Scenario Study. MOHAMMED A., WEIR S., MOODY G.of Ciba Specialty Chemicals - Floculants : development Trends - 10/2000. NARASIAH K.S., VOGEL A et al. - Coagulation of turbid waters using Moringa oleifera seeds from two distinct sources Water science and Technologie : Water supply - Vol 2 no 5-6 pp NASSER A. et al Removal of Hepatitis A Virus (HA V), Poliovirus and MS2 Coliphage by coagulation and high rate filtration Water science and Technologie : Water supply - Vol 31 no5-6, pp NOVAK J.T and BANDAK N - The effect of shear on the dewatering of water treatment residuals - 11/ Journal AWWA. NOZAIC D.J. et al Longterm experience in the use of polymeric coagulants at Umgeni Water Water science and Technologie : Water supply - Vol 1 no 1, pp ǾDEGAARD H Optimised particle separation in the primary step of waste water treatment Water sciences and technology - Vol 37, no 10, pp PAPIC S. et al - Optimizing polymer-induced flocculation process to remove reactive dyes from wastewater Environmental Technology - Vol 21, pp PINOTTI A., ZARITZKY N - Effect of aluminium sulfae and cationic poltelectrlytes on the destabilization of emulsified wastes Waste Management - Vol 21 pp

63 PONCET-LEGRAND c., LAFUMA F., AUDEBERT R. - Rheological behaviour of colloidal dispersions of hydrophobic particles stabilised in water by amphiphilic polyelectrolytes Physicochemical and Engineering Aspects - Vol 152 pp Reactions of polyelectrolytes with other Wtaer Treatment chemicals AWWA REBHUN M. et am. Contact flocculation-filtration of humic substances Water res. Vol 18, no 8, pp SCHWOYER W.L.K. Polyelectrolytes for water and wastewater treatment 2000 CRC Press. SHELLEY S.A. The battle cry for coagulants and flocculants : CHARGE! 1997 Chemical Engineering. SIJIAN H. and RUNHUA H. The electrochemical Analysis of Cationic Water Soluble Polymer 1998 Eur Polym. J Vol 34, no 2, pp Sludge Dewatering Equipment (09/2000). Pollution Engineering. SOBECK D., HIGGINS M.J - Examination of three theories for mechanisms of cation-induced biofloculation - 03/ Water Research. STUMP V.L., NOVACK J.T. Polyelectrolyte Selection for Direct Filtration 1979 Water technologie / Quality. SUKENIK A et al. Effect of oxidants on microalgal flocculation Wat. Res - Vol 21, no 5, pp TANAKA T. S., PIRBAZARI M. Effects of Cationic Polyelectrolytes on the Removal of Suspended Particulates During Direct Filtration TENNEY M W. et al Algal Floculation with Synthetic Organic Polyelectrolytes American Society for Microbilogy Vol 18, o 6, WILSON et al. - A pratical Assesment of the Use of Particle Counters for Monitoring the Risk of Cryptosporidium and Giardia - J. CIVEM WINNIK F.M. et al Interactions of cationic surfactants with a hydrophobically modified cationic cellulose polymer : a study by fluorescence spectroscopy Physicochemical and Engineering Aspects - Vol 106 pp YAROSHEVSKAYA N.V. et al. - The effect of AK and C-581 floculants on the kinetics of the water purification process using filtering through a grained medium Journal of water Chemistry and Technology - Vol 19, no 10, pp YAROSHEVSKAYA N.V. et al. - The impact of LT27 and 573C flocculants on the quality of water treatment using contact coagulation Journal of water Chemistry and Technology - Vol 19, no 5, pp YATES R., GREEN J. et al - Optimizing direct filtration processes for Cryptosporidium removal - 03/ Proceding Congres - AWWA. YU J., SUN D.D., TAY J.H - Characteristics of coagulation-floculation of humic acid with effective performance of polymeric floculant and inorganic coagulant Water sciences and technology - Vol 47, no 1, pp YUKSELEN M.A. and GREGORY J. Properties of flocs formed using different coagulant Water science and Technologie : Water supply - Vol 2 no5-6, pp