Etude de procédés de filtration sur sable de la région de Béchar en pré traitement de l eau potable

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1 Desalination 206 (2007) Etude de procédés de filtration sur sable de la région de Béchar en pré traitement de l eau potable A. Maazouzi a,b *, A. Ketteb b, A. Badri c a Laboratoire de recherche des sciences de l eau (LRS-EAU) maazdz@yahoo.fr b Département de génie des procédés, Université de Béchar, Algérie Received 17 January 2006; accepted 30 January 2006 Résumé Le stress hydrique que connaît le monde, et la prospection de nouvelles ressources en eau, de nombreux scientifiques se penchent sur la question pour essayer de trouver des solutions pour dépolluer l eau et la rendre potable. Ajoutant au manque d eau, la pollution de celui-ci très divers nécessitent à chaque fois des investigations nouvelles et la mise au point de procédés spécifiques, afin de dépolluer toutes sources d eau à usage humain. Nous nous intéressons, à la technique de filtration sur sable (de la région sud ouest de l Algérie), comme étant une phase indispensable pour le prés traitement de l eau, de tels procédés sont reconnus comme bien adaptés au milieu rural, puisqu ils présentent, une bonne qualité de traitement, un fonctionnement simple et une maintenance relativement limitée. Sachant que la région de Béchar(1000 km de la capitale) est une région sableuse, comme travail préliminaire deux échantillons de sable on été pris comme lit filtrant: celui de Taghit (90 km vers le sud) ainsi que de Kénadsa (18 km vers le sud-est). Le but est la valorisation de ce matériau abandon dans notre région, l eau a filtré été une eau brute du barrage qui alimente la ville ainsi qu une eau provenant d un forage de 53 m de profondeur. Mots clés: Filtration; Pré traitement de l eau potable *Corresponding author. Presented at EuroMed 2006 conference on Desalination Strategies in South Mediterranean Countries: Cooperation between Mediterranean Countries of Europe and the Southern Rim of the Mediterranean. Sponsored by the European Desalination Society and the University of Montpellier II, Montpellier, France, May /07/$ See front matter 2007 Elsevier B.V. All rights reserved

2 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) Matériel et méthode 1.1. Pilote expérimental Notre dispositif expérimental (Fig. 1) est constitue d une colonne en verre de 7 cm de diamètre et de 39,5 cm de hauteur. La hauteur effective du lit filtrant et de 25,5 cm (H S ), 14 cm et utilisé pour l eau a filtré (H E ) qui est maintenu constante le long de l expérience afin de garder la même charge hydraulique sur le sable Matériels Les appareillages consignés dans le Tableau 1 ont été utilisés Eaux utilisées Un échantillon d une eau souterraine (S), provienne d un puit d une profondeur de 53 m et deux échantillons (DT1 et DT2), eau de surface venant du barrage Djorf tourba de la ville de Bechar. A signaler que DT1 représente l échantillon d eau après la pompe d aspiration et DT2 l échantillon qui provient directement du barrage soit avant la pompe d aspiration Lits filtrant Deux types de supports filtrant sont utilisés, il s agit du sable de Kénadza (Ké) et de Taghit (Ta). Les deux types de sable proviennent des dunes. Tableau 1 Appareillages utilisés Paramètre mesuré Types d appareils Turbidité Turbidimètre de laboratoire modèle LP 2000 Conductivité, m.s/cm Conductimètre Nitrite, nitrate, fer, silicate, Multi paramètre de phosphate et le zinc paillasse C100 ph PH mètre portable HANNA HI 9210N P Protocole expérimental suivi La méthode est basée sur le principe suivant: une filtration lente, l eau traverse sous une charge hydraulique constante (14 cm d eau) le lit filtrant, la charge hydraulique est maintenu constante durant l expérience. A prés avoir lavé le sable à l eau distillé et le séché dans une étuve à une température de 50 C pendant 24 h. Une analyse physico-chimique est réalisée sur les trois échantillons d eau avant et après filtration. Pour cela deux méthodes d analyse sont utilisée: la spectrophotométrie (multi paramètres HANNA C100) et volumétrie. 2. Résultats et interprétations H E H S P P 1 Fig. 1. Dispositif expérimental Caractéristiques des supports utilisés Caractéristiques physiques Analyse granulométrique Les courbes granulométriques des deux matériaux ont été établies par passages sur des colonnes de tamis (méthode normalisé NF P ). Représentation graphique de L analyse granulométrique: Figs. 2,3.

3 360 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) Tableau 2 Caractéristiques physiques des lits filtrant Sables Kénadza Taghit Module de finesse, % 2,96 2,77 Diamètre effectif d 10, mm 0,35 0,19 Coefficient d'uniformité, CU 1,457 1,052 Porosité 0,37 0,36 ph 7,98 8,70 Fig. 2. Courbe granulométrique sable Kénadza. Tableau 3 Analyse chimique et minéralogique des lits filtrant Echantillon Kénadza Taghit Sulfates, % Carbonates, % 11,42 10,71 Chlorures, % 0,37 0,60 Matières organiques, % Forme Arrondis Arrondis Couleur Jaunâtre Jaunâtre Masse volumique absolue 2,73 2,50 Les insolubles, % de la silice 88,21 88,69 Fig. 3. Courbe granulométrique sable Taghit Les résultats de l analyse des sables Analyse physique A partir des données granulométriques le module de finesse ainsi que le coefficient d uniformité (CU) sont aisément accessible. Les caractéristiques physiques des lits filtrant sont regroupées dans le Tableau 2. Les deux types de sable appartient à la catégorie sable fin cela est bien confirmé par leur faible porosité, 0,37 pour le sable de Kénadza et 0,36 pour le sable de Taghit, ainsi que les résultats granulométriques. Le ph du sable de Taghit est beaucoup plus important que celui de Kénadza Analyse chimique et minéralogique L analyse chimique et minéralogique des lits filtrant est donnée dans le Tableau 3. Les analyses chimiques et minéralogiques indique que les deux échantillons de sable ne contiens pas de sulfate, par contre un pourcentage beaucoup plus important d insolubles: le sable de Kénadza représente 88,21% dans la même grandeur de celui de Taghit 88,69%, et que le sable de Kénadza est légèrement supérieur en carbonate 11,42% par rapport à celui de Taghit 10,71%. Les chlorures: Kénadza 0,37% et Taghit 0,60% alors que la matière organique est nulle pour le sable de Kénadza par contre pour le sable de Taghit représente 01% Filtration dans la masse On a suivi la filtration de l eau utilisée soient DT1, DT2 et S dans la masse filtrante en relevant

4 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) le filtrat en fonction du temps, les analyses physicochimique de l eau avant et après filtration sont mentionnées dans les Tableaux 4 et 5 pour chaque lit filtrant (Fig. 4) Ké Ta module de finesse Ké d 10 Ta Ké Ta 20 Cu Ké Ta Porosité Ké ph Ta Fig. 5. Variation de la turbidité en fonction du temps: lit filtrant sable de Kénadza. Fig. 4. Caractéristiques physiques des lits filtrant Lit filtrant sable de Kénadza Les analyses avant et après filtration de l eau utilisée soient DT1, DT2 et S à 18 C dans la masse filtrante sable de Kénadza sont regroupés dans le tableau suivant Représentation graphique (Figs. 5 7) Interprétation A partir de la Fig. 5 représentant la variation de la turbidité en fonction du temps de filtration des trois échantillons, on constate une nette amélioration de la turbidité: pour DT1 de 2,92 à 1,65 pour DT2 de 5,94 à 1,80 pour S de 2,6 à 0,25 La variation du ph en fonction temps de filtration Fig. 6: pour DT1 on enregistre une chute de 8,05 à 7,13 Fig. 6. Variation du ph en fonction du temps: lit filtrant sable de Kénadza. pour DT2 le ph augmente de 7,72 à 8,35 pour S une légère évolution du ph de 7,21 à 7,47. Ce paramètre reste dans la norme (6,5 8,5). La variation de la conductivité en fonction du temps de filtration Fig. 7 nous amène a conclure que l effet de la filtration sur ce paramètre est négligeable: pour DT1 une variation de 1,447 à 1,433 pour DT2 une variation de 1,632 à 1,624 pour S une variation de 6,14 à 5,72

5 362 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) Fig. 7a. Variation de la conductivité en fonction du temps: lit filtrant sable de Kénadza. Fig. 7b. Variation de la concentration en phosphate en fonction du temps. lit filtrant sable de Kénadza. Fig. 7c. Variation de la concentration en nitrate en fonction du temps: lit filtrant sable de Kénadza. Une efficacité remarquable du lit filtrant envers la dureté totale de l eau traitée; cette dernière s abaisse de 63.94% de sa valeur initiale pour l échantillon DT1. une légère augmentation de TH est relevée pour les trois premiers filtrats du DT2 et d eau souterraine S allant jusqu à 1.4 fois; cette dernière est due probablement à la lixiviation du sable pour ce test. Une diminution de 25.45% la teneur en chlorures prélevée pour le filtrat d eau souterraine S après le quatrième filtrat. De même pour le filtrat d échantillon DT1 ou le taux de diminution est de l ordre de 88.88% avec une teneur de 284 (mg de Cl /l) dépassant légèrement la norme (200 mg/l), toujours après le même intervalle de temps de séjour. Par contre pour le filtrat d échantillon DT2, la teneur en chlorures est deux fois supérieure de la valeur initiale. Le titre alcalimétrique complet augmente par rapport à sa valeur initiale (avant filtration) cela pour les deux filtrats DT1 et DT2, où les valeurs sont respectivement 219,4 mg/l et mg/l. Autre une efficacité de 9.09% est signalée pour le filtrat d eau souterraine S. Les taux de chaque élément peuvent être augmentés si en augmente le temps de séjour des affluents dans le lit pour les deux types de remplissage (sable de Kenadzaet de Taghit). Les deux sables peuvent être utilisés pour un traitement ou un adoucissement des eaux en utilisant un procédé de filtration par stade où on traite le sable brut. Une légère augmentation de la concentration des nitrates qui n excède pas la norme (50 mg/l) et des phosphates qui dépasse la gamme (0,01 0,1 mg/l) après filtration pour la totalité d échantillons, ainsi que des traces de zinc inférieur à la grille normative (0 0,5 mg/l) Le fer est néant pour la majorité des filtrats analysés sauf le cas du deuxième filtrat DT2 et la quatrième pour DT1 qui reste inférieur à la norme (0,5 1 mg/l), aussi une quantité des silicates est prélevée qui provient probablement du lit filtrant. Une élimination remarquable des nitrites allant jusqu à 100% pour une teneur de 2 mg/l (qui dépasse la norme de 0,1 mg/l).

6 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) Tableau 4 Caractéristiques des eaux utilisées. Paramètres chimiques donnés en mg/1. Sable Kénadza Paramètres physiques et chimiques Avant filtration Après filtration DT1 DT2 S Filtrat 1 Filtrat 2 Filtrat 3 Filtrat 4 DT1 DT2 S DT1 DT2 S DT1 DT2 S DT1 DT2 S Turbidité 2,92 5,94 2,6 2,46 2,01 1,24 1,8 1,98 0,29 1,73 1,87 0,32 1,65 1,80 0,25 Conductivité, ms/cm 1,447 1,632 6,14 1,470 1,982 6,20 1,447 1,695 6,13 1, ,98 1, ,72 ph 8,05 7,72 7,21 7,11 8,22 7,20 7,11 8,25 7,32 7,12 8,32 7,24 7,13 8,35 7,47 Nitrite, mg/l Nitrate, mg/l 0,5 0,2 3,1 0,5 0,5 2,5 0,7 0,4 3,7 0,6 0,5 4,5 0,8 0,6 6,3 Fer, mg/l , , Silicate, mg/l 00 0, ,01 0, ,01 0,01 0,01 0,02 Phosphate, mg/l 0, ,5 1,1 00 0,5 1,5 01 0,5 2,6 0,4 0,5 Zinc, mg/l , , , , ,03 0,03 TH, mg de CaCO 3 /l 1470,0 680,0 2390,0 840,0 970,0 3110,0 660,0 960,0 2690,0 620,0 890,0 2490,0 530,0 510,0 2430,0 T Ca 2+, mg/l ,0 432, ,0 1204, ,0 932, ,0 752, ,0 668,0 T Mg 2+, mg/l 277,0 65,61 318,33 48,6 43,74 24,3 145,8 43,74 86,4 194,4 55,89 148,23 534,6 14,58 184,68 T Cl, mg/l 319, ,5 461, ,5 319, ,5 319,5 745,5 1455, ,5 1455,5 TAC, mg/l 134,2 146,42 207, ,8 280, , , ,4 745,5 122

7 364 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) Tableau 5 Caractéristiques des eaux utilisées. Paramètres chimiques donnés en mg/1. Sable Taghit Paramètres physiques et chimiques Avant filtration Après filtration DT1 DT2 S Filtrat 1 Filtrat 2 Filtrat 3 Filtrat 4 DT1 DT2 S DT1 DT2 S DT1 DT2 S DT1 DT2 S Turbidité 2,92 5,94 2,6 2,46 2,68 2,06 1,92 2,23 1,33 1,68 1,95 0,79 1,43 1,91 00 Conductivité, ms/cm 1,447 1,632 6,14 1,50 1,608 6,15 1,528 1,629 6,25 1,373 1,760 6,22 1,367 1,775 6,17 ph 8,05 7,72 7,21 7,58 7,64 8,09 7,60 7,62 8,18 7,62 7,47 8,28 7,61 7,62 8,23 Nitrite, mg/l Nitrate, mg/l 0,5 0,2 3,1 0,5 0,2 3,05 0,6 3,9 3 3,8 8,3 8,5 7,9 11,8 10 Fer, mg/l ,81 0,21 1,51 0, ,03 0, ,17 0,04 00 Silicate, mg/l Phosphate, mg/l ,5 01 1,3 1,5 1,3 1,1 0,5 0,8 0,3 1,6 0,2 0,80 Zinc, mg/l ,56 0,56 1,7 0,26 0,12 0,49 0,29 0,11 0,02 0, ,08 TH, mg de CaCO 3 /l 1470,0 680,0 2390,0 690,0 900,0 3570,0 560,0 560,0 3310,0 470,0 540,0 3160,0 420,0 510,0 2800,0 T Ca 2+, mg/l ,0 432,0 236,0 268,0 1264,0 168,0 172,0 1200,0 136,0 168,0 1040,0 120,0 148,0 780,0 T Mg 2+, mg/l 277,02 656,1 318,33 24,3 55,89 99,63 34,02 31,59 75,33 31,59 29,16 136,08 29,16 34,02 206,55 TCl, mg/l 319, , , , , , TAC, mg/l 134,2 146,4 207,4 219,6 195, ,2 158,6 109,8 146,4 146,4 134,2 134,2 146,4 134,2

8 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) Lit filtrant sable de Taghit Les analyses avant et après filtration de l eau utilisée soient DT1, DT2 et S à 18 C dans la masse filtrante sable de Taghit sont regroupés dans le Tableau Représentation graphique (Figs.8 10) Interprétation A partir de la Fig. 8 représentant la variation de la turbidité en fonction du temps de filtration des trois échantillons, on constate une nette amélioration de la turbidité: pour DT1 de 2,92 à 1,43 pour DT2 de 5,94 à 1,91 pour S de 2,6 à 00 La variation du ph en fonction temps de filtration Fig. 9: pour DT1 8,05 à 8,23 pour DT2 7,72 à 7,62 pour S 7,21 à 8,23. Ce paramètre est dans la norme (6,5 8,5) La variation de la conductivité en fonction du temps de filtration Fig. 10 nous amène a conclure que l effet de la filtration sur ce paramètre est négligeable: pour DT1 une variation de 1,447 à 1,367 pour DT2 une variation de 1,632 à 1,775 pour S une variation de 6,14 à 6,17 Pour ce remplissage la dureté totale a diminue de 71.42% pour DT1, de 25% pour DT2. Pour d eau souterraine S, ce paramètre est supérieur à la valeur initiale. Une efficacité d élimination de 25.45% pour les chlorures, cas d échantillon DT1 est relevé après la troisième filtration. Une augmentation du TAC est remarquée dans les cas des filtrats DT1 et DT2 jusqu au quatrième filtrat. Concernant l échantillon d eau souterraine ce paramètre a diminué de 35.29%. Une augmentation de la concentration des nitrates non inquiétante, nitrites allant jusqu à Fig. 8. Variation de la turbidité en fonction du temps: lit filtrant sable de Taghit. Fig. 9. Variation du ph en fonction du temps: lit filtrant sable de Taghit. (11 mg/l) cas du DT2 pour la deuxième filtration mais toujours il y a une élimination après. Le taux de phosphates augmente après filtration ainsi que des traces de fer qui sont toujours dans la gamme normatif (0,5 1 mg/l) et de zinc (0 0,5 mg/l ) sont apparu dû probablement du lit filtrant. Aucune présence des silicates après filtration Mesure de la vitesse de filtration dans la masse du lit granulaire Le lit de matériau granulaire (sable), de hauteur

9 366 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) dans une colonne de verre, est soumis à une charge hydraulique constante. On a suivi la filtration de l eau utilisée en relevant le volume recueilli en fonction du temps pendant une heure de filtration. On répète la même manipulation avec les deux types de sols utilise pour les différents types d eau. Fig. 10a. Variation de la conductivité en fonction du temps: lit filtrant sable de Taghit. Fig. 10b. Variation de la concentration en phosphate en fonction du temps. lit filtrant sable de Taghit Représentation graphique du volume de filtration en fonction du temps (Figs. 11,12) et du débit de filtration en fonction du temps (Figs. 13, 14) La représentation graphique du volume, en fonction du temps v = f (t) Figs. 11 et 12, permet de remarquer que le volume est proportionnel au temps de passage. Avec les eaux de turbidité plus importante, le cas de DT2 qui est de 5,94 réduit jusqu à 1,80 a partir duquel la masse filtrante subit un colmatage d où la réduction du débit de filtration bien avant DT1 qui est de 2,92 réduit a 1,65 et le volume n est plus proportionnel au temps de passage, ce qui confirme la réduction de la porosité du lit filtrant par accumulation des particules solides en suspension se trouvant dans l eau du passage de DT2 avant le DT1 contrairement a S qui possède une turbidité la plus faible Fig. 13, avec une porosité de 0,36 pour le sable de Taghit légèrement inférieur a celle du sable de Kénadza 0,37. Fig. 10c. Variation de la concentration en nitrate en fonction du temps: lit filtrant sable de Taghit. Fig. 11. Variation du volume de filtration en fonction du temps: lit filtrant sable de Taghit.

10 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) Fig. 12. Variation du volume de filtration en fonction du temps: lit filtrant sable de Kénadza. Le phénomène est d autant plus important que le volume d eau écoulé est grand. C est ainsi que le débit d écoulement diminue avec le temps à la suite du colmatage progressif du système filtrant Figs. 13 et 14. Les résultats nous permettent de déduire que le débit de filtration à la pression d utilisation (14 cm d eau) (H E ) dépend de deux facteurs: la turbidité de l eau et la porosité du filtre. Plus la porosité du filtre est faible, (cas des deux filtres) plus le débit de filtration est moins important et dépendant de la charge de l effluent en matières en suspension. Lorsqu une eau ne contenant aucune matière en suspension exprimé en sa turbidité son débit est constant, et les volumes recueillis sont proportionnels au temps de passage. Les volumes recueillis dépendent de l effluent et de la nature granulométrique du matériau. Fig. 13. Variation du débit de filtration en fonction du temps: lit filtrant sable de Taghit. Fig. 14. Variation du débit de filtration en fonction du temps: lit filtrant sable de Kénadza. 4. Conclusion et perspective Cette étude basée sur la contribution à la dépollution des eaux potable par un filtre de sable. De deux types d eaux (surface et souterraine), on utilisons un filtre de sable, nous a permis de dégager les points suivants: La filtration a sable permis: Une bonne correction de la turbidité; La conductivité demeure indifférente; Lorsqu une eau ne contenant aucune matière en suspension exprimé en sa turbidité son débit est constant, et les volumes recueillis sont proportionnels au temps de passage; Les volumes recueillis après filtration dépendent de l effluent et de la nature granulométrique du matériau; Pour un milieu poreux donné, le volume d eau infiltré diminue lorsque la charge en matières en suspension augmente; Dans les deux lits filtrant en remarque l augmentation de la concentration en nitrate sauf qu elle est plus importante dans le cas du lit filtrant du sable de Taghit;

11 368 A. Maazouzi et al. / Desalination 206 (2007) Une augmentation après filtration est aussi remarquée pour les phosphates qui sont plus ou moins importante dans le cas du sable de Kénadza; Après filtration le fer et le zinc ne représentent que des traces. Des traces des silicates apparus après filtration dans le cas du lit filtrant du sable de Kénadza et ce n est le cas dans le sable de Taghit. Les taux de chaque élément peuvent être augmentés si en augmente le temps de séjour des affluents dans le lit pour les deux types de remplissage (sable de Kenadzaet de Taghit). Les deux sables peuvent être utilisés pour un traitement ou un adoucissement des eaux en utilisant un procédé de filtration par stade où on traite le sable brut. Nous pensons qu une double filtration peut révéler de bons résultats en ce qui concerne le traitement d eau.