Chapitre 9 - manganèse. GCI Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2009

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Stéphanie Morneau
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1 Chapitre 9 - Élimination du fer et du manganèse GCI Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2009 Hubert Cabana,

2 Le fer et le manganèse La présence de Fe et de Mn dans les eaux de consommation ne pose pas de problème pour la santé humaine; Problématiques inesthétiques : Goût et odeur; Taches sur les textiles Problématiques industrielles Formation de dépôts (ex : bouilloires); Taches Hubert Cabana,

3 Le fer et le manganèse La [Fe] et la [Mn] dépassent rarement 1 mg/l dans les eaux de surface; Dans les eaux souterraines, si alcalinité < à 50 mg/l : la [Fe] < 10 mg/l; la [Mn] < 2 mg/l; Objectif Tolérable Unités Fer (Fe) mg/l Manganèse (Mn) mg/l Hubert Cabana,

4 Le fer et le manganèse Élimination du Fe et du Mn Oxydation; Air; Chlore; KMnO 4 ; Ozone. Échange d ions; Adoucissement à la chaux. Hubert Cabana,

5 Oxydation L idée générale est de produire des composés insolubles : Fe 2+ Fe 3+ Mn 2+ Mn 4+ Hubert Cabana,

6 Oxydation à l air Aération permet : 1. Transfert de l oxydant (O2) à l eau; 2. Élimination des espèces gazeuses présentes (ex : CO 2, H 2 S, etc.); Réactions d oxydation précipitation 4Fe( HCO 2MnSO 3 4( aq) ) 2( aq) + O 2( aq) + 2Ca( OH ) + 2H 2( aq) 2 O + O 2 4Fe( OH ) 2MnO 2( s) 3( s) + 8CO + 2CaSO 2( g ) 4( aq) + 2H 2 O Hubert Cabana,

7 Oxydation à l air Hubert Cabana,

8 Oxydation à l air Le taux d oxydation est fonction du ph de l eau à traiter : Pour oxyder le Fer en 15 minutes, ph 7.5 8; Oxydation du Mn en > 1 h, ph 9.5. Théoriquement : 1 mg d O 2 oxyde 7 mg de Fe 2+ 1 mg d O 2 oxyde 3.4 mg de Mn 2+ L O 2 n oxyde pas le Fe associé à des matières organiques. Hubert Cabana,

9 Oxydation à l air Utilisation de diffuseurs d air Profondeur de m; Ratio volumique air:eau = 0.75:1 Efficacité de transfert de l O 2 de 5 10%; Hubert Cabana,

10 Oxydation à l air Hubert Cabana,

11 Oxydation à l air Utilisation d aérateurs à coke Hubert Cabana,

12 Oxydation à l air Chaque plateau a une profondeur variant entre 30 et 45 cm; Remplis de coke, de pierres concassés, chaux, medium plastique; Taux de chargement de m 3 m -2 h -1 Hubert Cabana,

13 MDDEP, 2003 Hubert Cabana,

14 Oxydation à l air Coagulation / floculation à l alun est généralement requis, suivi d un processus de filtration. Hubert Cabana,

15 Oxydation au chlore Utilisation du Cl 2(g) ou du ClO 2(g) Réactions d oxydation au Cl 2 précipitation 2Fe( HCO Mn( HCO 3 3 ) ) 2( aq) 2( aq) + Ca( HCO + Ca( HCO 3 3 ) ) 2( aq) 2( aq) + Cl + Cl 2( g ) 2( g ) 2Fe( OH ) MnO 2( s) 3( s) + CaCl + CaCl 2( aq) 2( aq) + 4CO + 6CO 2( g ) 2( g ) + 2H 2 O Théoriquement : 1 mg de Cl 2 oxyde 1.58 mg de Fe 2+ 1 mg de Cl 2 oxyde 0.78 mg de Mn 2+ Hubert Cabana,

16 Oxydation au chlore Le taux d oxydation est fonction du ph de l eau à traiter : Pour oxyder le Fe 2+ en minutes, ph 8-8.5; Oxydation du Mn 2+ en 1-2 h, ph Présence de matière organique, formation de DBPs tels que du THM, chloramines, etc. Hubert Cabana,

17 Oxydation au chlore Réactions d oxydation au ClO 2 précipitation Fe( HCO 3 Mn( HCO ) 3 2( aq) ) 2( aq) + + NaHCO NaHCO 3( aq) 3( aq) + ClO 2( g ) + 2ClO 2 Fe( OH ) 3( s) + NaClO MnO + 2NaClO 2( s) 2( aq) 2( aq) + 3CO + 4CO 2( g ) 2( g ) + 2H 2 O Théoriquement : 1 mg de ClO 2 oxyde 0.83 mg de Fe 2+ 1 mg de ClO 2 oxyde 0.41 mg de Mn 2+ Hubert Cabana,

18 Oxydation au chlore Coagulation / floculation à l alun est généralement requis, suivi d une sédimentation; [Cl 2 ] résiduelle = 0.5 mg/l Hubert Cabana,

19 Oxydation au permanganate de potassium (KMnO 4 ) Fort oxydant, permettant une oxydation rapide de ces métaux sur une vaste gamme de ph (phs 7); 3Fe ( HCO3 ) + KMnO + 7H 2( ) 4( ) 2O 3Fe( OH ) 3( s) + MnO + KHCO + 5H aq aq 2( s) 3( aq) 2CO3( aq) 3 Mn ( HCO3 ) + 2 KMnO + 2 H 2 O 5 MnO2( ) ( aq) 4( aq) s + KHCO + H CO 3( aq) 3( aq ) Théoriquement : 1 mg de KMnO 4 oxyde 1.06 mg de Fe 2+ 1 mg de KMnO 4 oxyde 0.52 mg de Mn 2+ Hubert Cabana,

20 Oxydation au permanganate de potassium (KMnO 4 ) Si présence de Fe 2+ et de Mn 2+, il vaut mieux favoriser un procédé mixte dans lequel le Fe est éliminer par ajout de Cl 2(g), puis le Mn est éliminé par le permanganate de potassium; Possibilité d application directement en tête des filtres à sable (car cinétique rapide); L ajout de KMNO 4 en aval du processus de traitement augmente les processus de floculation et de sédimentation Hubert Cabana,

21 Oxydation au permanganate de potassium (KMnO 4 ) Hubert Cabana,

22 Oxydation à l ozone (O 3 ) L utilisation de l O 3 à une seule fin d élimination de ces métaux est rarement favorisée ($$); D autres technologies moins onéreuses 2 Fe ( HCO ) + O + 2 H O 3 Fe ( OH ) + O + 4 CO + Mn( HCO H 2( aq ) 3( g ) 2 3( s) 2( g ) 2( aq ) 2 ) 2( aq) + O 3( g ) Théoriquement : + 2H MnO + O 1 mg de O 3 oxyde 2.3 mg de Fe 2+ 1 mg de O 3 oxyde 1.15 mg de Mn 2+ 2 O 2( s) 2( g ) + 2CO 2( g ) + 3H 2 O O Hubert Cabana,

23 Oxydation chimique - résumé MDDEP, 2003 Hubert Cabana,

24 Échange d ions Hubert Cabana,

25 Résines échangeuses d ions Utilisation de résines acides ou cationiques [Fe 2+ ] ou [Mn 2+ ] < 0.5 mg/l; Si présence d oxygène dissout, possibilité d oxydation et de précipitation des espèces formées; Colmatage possible de ces résines. Hubert Cabana,

26 Résines échangeuses d ions filtre catalyseur Utilisation de zéolithe (sable vert) Grains de sable recouvert d oxydes de Fe et de Mn; Régénération des oxydes présents à la surface du sable; Hubert Cabana,

27 Résines échangeuses d ions filtre catalyseur Hubert Cabana,

28 Résines échangeuses d ions filtre catalyseur Régénération intermittente Hubert Cabana,

29 Résines échangeuses d ions filtre catalyseur Régénération en continu du lit catalytique Hubert Cabana,

30 Résines échangeuses d ions filtre catalyseur Procédé combiné (filtration anthracite + zéolithe) Hubert Cabana,

31 Illustration Hubert Cabana,

32 Filtres à sable vert critère de conception MDDEP, 2003 Hubert Cabana,

33 Adoucissement à la chaux Hubert Cabana,

34 Adoucissement à la chaux Précipitation due à une diminution de la solubilité = F(pH) de l eau; Fe : 83% à ph = % à ph = % à 9.6 Mn : 0% ph < % à ph = % à 9.8 Hubert Cabana,

35 Application ph minimal : 9,5 (entre 10,5 et 11 de façon usuelle) Dose de chaux (par mg/l de Fe ou de Mn) : 1 mg/l (CaO) Concentration de Fe et de Mn à l eau brute : maximum combiné de 4 mg/l Hubert Cabana,

36 Conclusion L implantation de technologies d élimination du fer et du manganèse nécessite des essais en laboratoire : Analyse de l eau brute; Demande en agent oxydant; Essais en laboratoires; Essais pilotes Hubert Cabana,

37 Lectures suggérées MDDEP, (2003). Guide de conception des installations de production d'eau potable. Volume 1, Chapitre 8, section 8.5. Hubert Cabana,

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