Traitement des eaux de source de plus en plus riches en gaz carbonique et de plus en plus douces : Les exigences des nouvelles normes en Allemagne permettent de neutraliser les eaux naturelles d une manière plus simple avec une technique plus écologique. Particulièrement pour les eaux douces, les eaux de forages et chargées en CO 2, il est possible de combiner un sous dimensionnement de filtration sur filtres neutralisants avec une technique de neutralisation physique, dite à haut rendement. La ville de Pexbach : L usine d eau de la ville de Pexbach alimente environ 20 000 utilisateurs d eau potable. Les besoins annuels s élèvent à 830 000 m 3 d eau avec une consommation moyenne journalière d environ 2300 m 3. Dans l ancienne installation de traitement d eau, il était prévu une aération et une remontée de la minéralisation des diverses eaux mélangées par un passage sur dolomites.. Pour différentes raisons, l installation doit être rénovée en prévoyant également une étape de traitement éliminant les contaminations organiques. Dans le parcours de tuyauteries jusqu à l utilisateur, l eau s enrichit d un certain nombre d éléments liés aux matériaux en contact rencontrés, mis à part l oxydation de tuyauteries métalliques non protégées (corrosion), il est possible que les tuyauteries avec une protection intérieure en ciment puissent également être attaquées. Ceci a une incidence non seulement sur la qualité de l eau potable, mais également, une incidence économique. Une des dispositions à prendre pour éviter une corrosion non souhaitable, est la neutralisation des eaux potables par une remontée du ph. La limite supérieure de remontée de ph pour les eaux naturelles peut etre déterminée par l équilibre calco-carbonique de l eau. Si le ph de saturation venait à être dépassé, des dépôts de tartre peuvent se produire et entraîner une perturbation du traitement de l eau et sa distribution. Ce ph de saturation est différent pour chaque eau, et de façon importante, dépendant de la concentration en gaz carbonique et en calcite (carbonate de calcium).
Courbe n 1 : Cette courbe montre les valeurs correspondantes de ph à obtenir dans le cadre de l ancienne et de la nouvelle législation, en fonction de la capacité acide (M Wert ou TAC) comme quantité de dureté carbonatée. 1) Il est donné la valeur correspondante du ph par rapport à la valeur de TAC(ou M-Wert). Pour une valeur de TAC inférieure environ de 2 mmol/l par litre, les valeurs de ph correspondantes sont plus significatives : ainsi, le ph à obtenir pour un TAC de 1,5 mmol/l par litre, selon l ancienne législation, se transforme en un ph supérieur à 8 pour la nouvelle, contre 7,7 dans l ancienne. La notion de capacité de dissolution calcite comme limitation de l agressivité calcaire, induit particulièrement pour les eaux douces un assouplissement des exigences en terme de neutralisation. Avec cette nouvelle législation, la neutralisation des eaux peut se faire par des procédés simples et naturels. Les techniques de neutralisation à la soude ou bien à l eau de chaux, ou bien sur des filtrations de dolomites avec les inconvénients qu elles apportent, deviennent avec la nouvelle législation, superflues. Dureté : Il est montré plus loin qu en combinant la technique de la filtration calcaire et une neutralisation physique, que les eaux douces en teneur élevée de C0 2 peuvent être neutralisées sans problème, tout en respectant les exigences de la législation TrinkW5. Tableau N 1 Les fabricants de matériaux filtrants pour la neutralisation, ne donnent pas curieusement les vitesses de réaction correspondantes, d une part à la dissolution calcaire, et d autre part à la réduction de C0 2. Mais par contre, donne des courbes explicatives qui correspondent à l ensemble. Plus particulièrement, ces courbes donnent le temps de contact de réservoir vide(ebtc) en fonction des données de l eau brute et des objectifs de traitement à obtenir, par exemple valeur de ph. Il y a cependant pour une eau des limites à respecter, notamment pour celles qui contiennent beaucoup de C0 2, et de ce fait, selon ces courbes de filtration, il y a lieu d installer derrière la filtration, une neutralisation mécanique. Les données de base de la cinétique de la neutralisation sur calcaire sont communiquées par Baldauf et Henkel. Des formules moyennes empiriques pour l interprétation des filtres de neutralisation sont données. En dehors des données de l eau brute (TAC, TA, capacité de dissolution calcite et température), il est indiqué pour la filtration sur carbonate de calcium cristallisé les temps de contact de réservoir vide (EBTC) pour calculer la réduction de capacité de dissolution calcite. Les constantes décrites par le producteur sont relatives aux produits de fabrication JWNR000, composées d hydrocarbonate d une granulométrie de 1 à 2 mm. Les équations ont été établies à partir d installations existantes, en nombreuses quantités, sur des installations prévoyant une pré-neutralisation des eaux douces et riches en C0 2. Courbe n 2 : La courbe n 2 montre la relation calculée entre la capacité de dissolution calcite, et le temps de contact d un réservoir vide (EBTC) pour l eau douce et riche en C0 2 de l usine d eau de Pexbach. La vitesse de réaction de neutralisation est pour les eaux riches en C0 2, étonnamment grande et diminue pour une dureté croissante. A l aide de la dissolution de capacité calcite sur la courbe 2, peuvent être calculées les données d équilibre calco-carbonique Tableau N 2
Courbe n 3 : Données des valeurs de ph de TAC et de teneur en C0 2 par rapport à la capacité de dissolution calcite en fonction de la réduction de l acide carbonique sur une filtration. A l aide de ces calculs ont obtient les éléments de traitement sur filtration calcaire et pour neutralisation physique. Pourquoi remonter la dureté? : Tableau N 3 Les eaux douces riches en C0 2 doivent, pour améliorer leur propriété en terme de corrosion chimique, être re-durcies par mélange. Une teneur en ions hydrogénocarbonate, est une, parmi d autres, des conditions pour obtenir une couche protectrice sur les tuyauteries métalliques. Pour les tuyauteries des anciennes distributions, pour les tuyauteries métalliques ou en alliage non protégé, la législation implique selon la norme DIN 50930-paragraphe 6, une capacité acide KS4,3 >ou égale a 2mmol/l (c est-à-dire des TAC supérieurs à 2 mmol/l), comme l une des conditions simultanées, et nécessaires, à remplir pour avoir une couche protectrice suffisante. Dans ce but, dans une phase initiale simplificatrice, il est possible d atteindre cet objectif, d une part, en mélangeant des eaux plus douces avec une eau de capacité acide KS4,3<2mmol/l, c està-dire un TAC inférieur à 2 mmol/l, et en mélangeant une eau dont la valeur de ph n est pas admissible. Selon la norme DVGW (fiche technique W 346 (7), il est prévu qu en cas de recherche de l augmentation de la dureté, une valeur de TAC supérieure à 2 mmol/l soit atteinte. La remontée de ph lors de la mise en route de nouvelles tuyauteries protégées par du ciment est en fait faible, et diminue rapidement. D autres dispositions, d une façon générale, ne sont pas exigées. La montée en dureté désirée peut être réalisée par des filtres de calcaire cristallin d une dimension plus faible. L étape de filtration est faite avec une eau brute chargée en gaz carbonique. L objectif premier de cette étape n est pas d obtenir les valeurs de ph exigées correspondant au ph de saturation calcite THc et d augmenter la capacité acide, c est-à-dire le TAC des eaux. L étape de filtration peut ainsi être (sous dimensionnée). L ajustement de la capacité calcite Dc exigée, est obtenu par une technique physique de neutralisation installée derrière le filtre. La neutralisation à l usine d eau de Pexbach : Les anciens traitements de l usine d eau de Pexbach étaient réalisés à partir d une neutralisation physique préalable (chute libre sans aération forcée), suivie d une filtration sur dolomite dans des filtres ouverts. En dehors de l objectif classique de traitement comprenant augmentation de la dureté et la neutralisation, il y avait besoin à l usine de Pexbach de prendre en compte la charge des eaux brutes, des eaux souterraines en PBSM,et particulièrement leurs sous produits et matières carbonatées chlorées. (CKW)
C est pourquoi le bureau d étude a prévu les techniques suivantes : Sanitisation de l ancienne installation et de la filtration sur charbon actif. Construction d un traitement prévoyant l augmentation de la dureté, la neutralisation du CO2, et la filtration sur charbon actif. Tant pour des raisons d exploitation que pour des raisons techniques et économiques, l usine d eau de Pexbach a pris la décision de renouveler complètement l installation de traitement d eau. Le but de la nouvelle installation de traitement d eau prévoit, outre le dimensionnement de l augmentation de dureté et de neutralisation, la mise en place d une technique qui prend en compte les différents mélanges de qualités d eau qui alimentent l usine d eau ; la filtration de matières organiques indésirables dont est chargée l eau d alimentation, sur du charbon actif et le by-passage des filtres à charbon actif pour les eaux non chargées.. La réalisation de l installation comprend en premier lieu une élévation de la dureté et une neutralisation. L installation de traitement d eau est conçue sous forme de 2 chaînes en parallèle. Chaque filtre à charbon actif est placé après le mélange des eaux d alimentations pour a débit de 80 à 105 m 3 /h et chacun des systèmes de neutralisation sont conçus pour un débit nominal de 105 m 3 /h et un débit de pointe de 130 m 3 /h. Lors de l utilisation sur une chaîne du système de neutralisation il est possible de passer un débit de 140 m 3 /h. Chaque filtre a charbon actif est conçu pour un débit minimum de 50 m 3 /h et est limité au maximum a 105 m 3 /h.
Dans le tableau 1 il est indiqué les paramètres de dureté et d acide carbonique des différentes eaux de mélange. Le calcul de la filtration sur marbre et de la remontée en dureté correspondante revient Baldauf et Henkel. La capacité de dissolution calcite des eaux mélangées, en fin d alimentation se situe entre 140 et 150 mg/l. Celle ci,constante après la filtration sur marbre est en dernière étape de 4,1 à 4,3 mmol/l. Les filtres de neutralisation ont été dimensionnés pour que la dureté de l eau traitée n excède pas 14 allemand, et un TAC d environ 2 mmol/l. Le TAC des eaux brutes mélangées se situe entre 1,7 et 1,9 mmol/l. Ainsi se retrouvent les qualités d eaux données par Baldauf et Henkel. Selon les lois de réaction cinétiques, et en raison des quantités de C0 2 présentes dans le filtre, il en résulte un durcissement de l eau plus rapide sur le filtre de marbre que dans les équilibres décrits pour obtenir la dureté correspondante prévue. La possibilité de faire un by-pass partiel du filtre a été prévue, en vue d ajuster la dureté. Les filtres de marbre seraient alors alimentés avec une quantité d eau moindre. Il en résulte que le temps de contact dans les filtres soit augmenté, et que la vitesse de filtration avec ce temps de contact correspondant soit réduite. Globalement il se produit avec le mélange de l eau bi-passée, une eau rendue plus douce.. Pour l installation de neutralisation l objectif est d obtenir une capacité calcite inférieure à 5 mg/l, correspondant à une valeur de ph voisin du phc (ph de saturation calcique). Quatre variantes différentes de traitement ont été imaginées et 3 options qui n ont pas été retenues, prévoyaient une neutralisation physique en tête de la filtration. Dans la solution retenue il est prévu un traitement préalable partiel du débit sur charbon actif, puis un passage sur des lignes de filtres de carbonate de calcium parallèles avec une remontée de la dureté par un temps de contact de 10 minutes suivi d une neutralisation physique (dessin n 5). En ce qui concerne les composés carbonatés chlorés (CKW), la solution retenue offre une sécurité complémentaire par le fait que les composés carbonatés chlorés non retenus par les filtres à charbon actif, puissent faire l objet d un «stripping» sur l appareil de neutralisation à l air. Ceci peut être essentiel dans un stripping complémentaire de l eau brute chargée de manière significative en composés carbonés chlorés(ckw), lors du by passage partiel prévu de l eau brute.. Le CO 2 excédentaire restant dans l eau après la filtration (50mg/l) est éliminé avec un appareil de stripping AQUADOSIL. Dans ce système à haute performance, l élimination du CO 2 se fait par des fines bulles d air apportées au travers de crépines céramiques. L avantage principal de cette technique, en dehors de sa grande efficacité, est la conception extra plate de l équipement, son faible coût d exploitation, et son adaptation directe en cas d exigences de traitement variables (variation de la quantité de CO 2 dans l eau). Les éléments techniques du traitement sont résumés dans le tableau 2.
Les variations successives de l équilibre calco-carbonique sont reprises dans le tableau 3. Le jour des contrôles, le système Aquadosil fonctionnait de telle façon que les résultats en dissolution calcite étaient nuls. Le réglage automatique de l installation de stripping aux conditions variables, en vue d obtenir la valeur de ph désiré, se fait par ajustement de la vitesse de rotation des compresseurs. Résumé : En combinant un sous dimensionnement des filtres à calcaire avec un équipement de stripping en aval, l on dispose d une technique de traitement précise et économique pour les eaux douces et riches en gaz carbonique, qui permet d obtenir la dureté et le TAC désirés ainsi que le ph et la capacité de dissolution calcique souhaitables.