Chapitre 8 - Adoucissement GCI 70 - Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 015 Hubert Cabana, 015 1
Adoucissement Permet l élimination de la dureté de l eau La dureté correspond à la concentration en cations divalents présents dans l eau. Dans les sources d eau brute, il s agit essentiellement du Ca + (70-85%) et du Mg + (15-30%); En Amérique du Nord, exprimé en tant qu équivalent de CaCO 3 ; Les eaux souterraines riches en calcaire ou en dolomite sont bien souvent des eaux dures Hubert Cabana, 015
Adoucissement Permet d éliminer des minéraux dissouts et réduits les risques de formation de tartre; consommation de produits nettoyants; [métaux lourds]; turbidité, fer, Mn, composés organiques, baryum et du COT. Hubert Cabana, 015 3
Adoucissement La dureté Adoucissement à la chaux Le processus chimique d élimination de la dureté Les procédés La conception Par résine échangeuse d ions Hubert Cabana, 015 4
La dureté 1. Dureté totale duretétota le M Ca Mg i Ex : 5 mg/l de Ca + et 15 mg/l de Mg + Dureté totale = 15 mg/l de CaCO 3 Hubert Cabana, 015 5
La dureté Types d eau Dureté mg/l de CaCO 3 Douce 0-75 Modérée 75-150 Dure 150-300 Très dure > 300 Montréal 116 ppm, Calgary 165 ppm, Régina 0 ppm, Saskatoon < 140 ppm, Winnipeg 77 ppm, Toronto 11 ppm, Vancouver < 3 ppm. Hubert Cabana, 015 6
Concentration idéale entre 80 et 100 mg/l de CaCO3 Hubert Cabana, 015 7
La dureté. La dureté temporaire (ou carbonée) Elle est causée par la combinaison avec les ions carbonates (CO 3 - et HCO 3- ); Alcalinité = [HCO 3- ] + [CO 3 - ] + [OH - ] + [H + ] Elle correspond à la dureté pouvant être éliminée en faisant bouillir l eau. Hubert Cabana, 015 8
La dureté La dureté permanente (ou non carbonatée) Elle est causée par la combinaison avec les ions chlorures et sulfates Hubert Cabana, 015 9
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Adoucissement À la chaux (vive : CaO, ou éteinte : Ca(OH) ); CaO H O Ca(OH) Réaction de l hydroxyde de chaux avec le CO dissout Ca( OH) CO CaCO ( ) 3( s) H O aq Hubert Cabana, 015 11
Adoucissement Réaction de l hydroxyde de chaux avec le bicarbonate de calcium HCO CaCO H O Ca( OH) Ca ( ) 3 3 s) aq ( Le ph optimum pour minimiser la solubilité du CaCO 3 est ~ 10.3 Hubert Cabana, 015 1
Adoucissement L élimination du bicarbonate de magnésium se fait selon : Ca( OH) MgCO 3 ( aq) Mg Ca( OH) HCO ( aq) 3 CaCO CaCO 3 ( s ) 3 ( s ) MgCO Mg( OH) ( s ) 3 H O La solubilité de l hydroxyde de magnésium est relativement élevée jusqu à des ph ~ 11.0-11.3 Hubert Cabana, 015 13
Adoucissement L excès de Ca(OH) est éliminé en réinjectant du CO Ca OH CO CaCO H O 3 Hubert Cabana, 015 14
Adoucissement Élimination de la dureté permanente Si utilisation de Ca(OH) MgSO Ca( OH) Mg( OH CaSO s 4 ) ( Il n y a pas de variation de la dureté ) 4 Utilisation de carbonate de sodium (Na CO 3 ) CaSO s 4 NaCO3 CaCO Na 3( ) SO4 Hubert Cabana, 015 15
Adoucissement Il est également possible d utiliser la soude caustique (NaOH) pour adoucir l eau. Permet une élimination simultanée de la dureté temporaire et permanente; Diminution de la production de boues Disponible en solution 50% m/m Hubert Cabana, 015 16
Adoucissement Hubert Cabana, 015 17 4 ) 3( 3 4 4 ) ( 4 3 ) ( 3 3 ) 3( 3 3 ) ( ) ( ) ( 4 ) ( SO Na CaCO CO Na CaSO SO Na OH Mg MgSO NaOH O H CO Na OH Mg HCO Mg NaOH O H CO Na CaCO HCO Ca NaOH O H CO Na CO NaOH s s s S
Dosage des réactifs 1. Chaux vive (CaO) dosage( mg / l) A B E C D A CO où [CO (mg/l)]*56/44 B alcalinité associée aux ion HCO3 - exprimée (dureté temporaire) en mg/l de CaCO *56/100 C Mg où [Mg(mg/l)]* 56/4.3 D excès de chaux nécessaire pour augmenter le ph 11(typiquement 10-0% de A B C) E pureté de la chaux vive (typiquement 88-95%) 3 Hubert Cabana, 015 18
Dosage des réactifs 1. Chaux hydratée (Ca(OH) ) dosage( mg / l) A' B' C' E D A' CO B' alcalinitétemporaire expriméeenmg/l de CaCO C' Mg où [Mg(mg/l)]* 74/4.3 D où [CO (mg/l)]*74/44 excèsde chaux nécessairepour augmenter leph E pureté de lachaux hydratée (typiquement 93-95%) 3 *74/100 11(typiquement 10-0% de A B C) Hubert Cabana, 015 19
Dosage des réactifs 1. Carbonate de sodium (Na CO 3 ) dosage( mg / l) ( NH L) 106/100 NH et L alcalinitépermanentede l'eauà traiter,résiduelle, expriméesen[caco 3(mg/l)] Hubert Cabana, 015 0
Dosage des réactifs CO dosage( mg / l) HA CA* R *44/100* F HA alcalinitéassociéeaux hydroxydes expriméesen[caco (mg/l)]; CA alcalinitétemporaire expriméesen[caco (mg/l)]; R leratio permettant uneconversion des CO F dosage enexcès,typiquement 0%(F 1.) - 3 3 enhco - 3 3, typiquement 0-0.; Hubert Cabana, 015 1
Les procédés d adoucissement Procédé en une seule étape Élimination de la dureté temporaire associée au Ca + uniquement avec ajout de chaux et/ou ajout de carbonate de sodium AWWA, 1998 Hubert Cabana, 015
Les procédés d adoucissement Procédé avec excès de chaux Élimination de la dureté temporaire associée au Ca + ET au Mg + avec ajout de chaux et/ou ajout de carbonate de sodium AWWA, 1998 Hubert Cabana, 015 3
Les procédés d adoucissement Prétraitement(s) potentiel(s) : Aération : Permet d éliminer le CO présent initialement dans l eau (dans les eaux souterraines). Permet une réduction jusqu à des concentrations inférieures à 10 mg/l; Pré-sédimentation : Élimination des MES présentes http://water.me.vccs.edu/concepts/aerator.html Hubert Cabana, 015 4
Les procédés d adoucissement Flash mixing : Agitateur mécanique Taux de cisaillement (G) = 300 500 s -1 ; Temps de séjour = 10 30 s. Floculation : Agitation horizontale à palettes, ou Agitation verticale avec une turbine; Taux de cisaillement (G) = 5 50 s -1, jusqu à 3 sections; Temps de séjour = 30-40 minutes; Vitesse dans les ports d entrée/sortie : 0.15 0.36 m/s Hubert Cabana, 015 5
Les procédés d adoucissement Sédimentation : Taux de sédimentation Décanteur rectangulaire : 1.9.5 m 3 m - h -1 «sludge blanket» :.5 4.4 m 3 m - h -1 Temps de séjour (minimal) Décanteur rectangulaire : h «sludge blanket» : 1h Taux de débordement dans les goulottes Décanteur rectangulaire : 11 m 3 m -1 h -1 «sludge blanket» : 15 m 3 m -1 h -1 Hubert Cabana, 015 6
Les procédés d adoucissement AWWA, 1998 Hubert Cabana, 015 7
Les procédés d adoucissement Génération de boues : Boues denses 3-15% solides -3.5 lbs de boues produites / lb de dureté éliminée; Les boues sont granuleuses et faciles à déshydrater. Hubert Cabana, 015 8
Les procédés d adoucissement Injection de dioxyde de carbone Utilisation de CO (l) ; Réservoir de diffusion : temps de séjour = 3 minutes Réservoir de contact Temps de séjour = 0 minutes Profondeur > 3.7 m Après cette étape, le ph doit être de 8.7-8.8. Hubert Cabana, 015 9
Les procédés d adoucissement Filtration Taux de filtration : 10-15 m/h Filtre bi-médias Anthracite H=0.5 m D 10 = 1.0-1.1 mm D 60 /D 10 = <1.4 Sable H=0.5 m D 10 = 0.55-0.6 mm D 60 /D 10 = <1.5 Taux de rétrolavage : 50 m/h Hubert Cabana, 015 30
https://alamowatersofteners.com/images/ion_exchange_fig_1.jpg Les résines échangeuses d ions Hubert Cabana, 015 31
Adoucissement par échange d ions Processus, par lequel ont «échange» un ion indésirable (Ca + et Mg + ) par un ion désirable (ex : Na +. H + ); Dans ce cas-ci, nous référons à une résine échangeuse de cations. Hubert Cabana, 015 3
Adoucissement par échange Résine acide d ions Hubert Cabana, 015 33
Adoucissement par échange d ions Résine acide (régénération) Hubert Cabana, 015 34
Adoucissement par échange Résine au sodium d ions Hubert Cabana, 015 35
Adoucissement par échange d ions Résine au sodium (régénération) Hubert Cabana, 015 36
Adoucissement par échange d ions Hubert Cabana, 015 37
Adoucissement par échange d ions Les échangeurs d ions ne doivent pas être utilisés si la quantité de sodium présent à l effluent de l échangeur excède 00 mg/l. Une eau ayant une turbidité de 1 UTN et plus ne doit pas être appliquée directement aux résines. Les résines synthétiques à base de silicates doivent être utilisées pour des eaux dépourvues de fer et d un ph supérieur à 8,4. Quand l eau à adoucir contient du chlore résiduel, les résines devront être résistantes à l action du chlore. Les résines à base phénolique ne doivent pas être utilisées. Hubert Cabana, 015 38
Adoucissement par échange d ions La capacité d échange des résines est donnée par le fabriquant (ex : 50 150 kg CaCO3 / m 3 ); La capacité d échange ne doit pas excéder 45 mg/l en CaCO3 de résine avec une régénération requise de 135 g de sel par 65 g de dureté éliminée; La hauteur du lit de résine doit être d au moins 0,9 m et d au plus 1,8 m; Dans les systèmes à co-courant, une hauteur totale de 30 cm constituée de plusieurs couches de gravier gradé d une dimension de 0,3 à,5 cm est souhaitable pour supporter les résines d échangeurs d ions. Ce support n est pas requis dans les adoucisseurs de type contre-courant à blocage mécanique ou les adoucisseurs munis de planchers à buselures; Le système de crépines posé au fond des unités doit permettre un drainage complet de l unité de façon à s assurer qu aucune saumure ne sera présente après le rinçage; Hubert Cabana, 015 39
Adoucissement par échange d ions La hauteur d eau au-dessus des résines doit être de 30 à 100% de la hauteur du média selon sa densité et la direction de l écoulement de l eau par rapport à la solution de régénération (co-courant, contre-courant); Pour les adoucisseurs à co-courant, le taux d adoucissement à travers une unité ne doit pas dépasser 17 m/h. Dans le cas d unités d adoucissement à contrecourant cette vitesse sera inférieure à 50 m/h; Hubert Cabana, 015 40
Lectures suggérées Qasim, Edward et Zhu, (000). Water Works Engineering. Planning, Design & Operation. Chapitre 18 AWWA (1998). Water Treatment Plant Design. Chapitre 11 MDDELCC (015). Guide de conception des installations de production d'eau potable Hubert Cabana, 015 41