Calcaire ou eau agressive en AEP : comment y remédier? Les solutions techniques Principes et critères de choix Par Sébastien LIBOZ - Hydrogéologue
Calcaire ou eau agressive en AEP : comment y remédier? Les solutions techniques - Principe et critère de choix Plan de présentation Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Traitement de reminéralisation Traitement de décarbonatation
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Cycle de l eau : enrichissement de l eau en dioxyde de carbone (CO 2 ) dioxyde de carbone + eau <=> acide carbonique CO 2 + H 2 O <=> H 2 CO 3
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique La quantité de CO 2 dissous est fonction de la température et de la pression du CO 2 dans l'air. Activité bactérienne dans les sol => augmentation de la concentration en CO 2 Conséquences du contexte géologique des formations sur la minéralisation Deux situations : Massif granitique peu soluble = eau peu minéralisée et riche en CO 2 dissous Fort pouvoir de dissolution des matériaux Massif carbonaté (calcaire) propice à dissolution = eau riche en sels Forte tendance à la formation de dépôt
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Corrosion interne Entartrage
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Définition de l Equilibre calco-carbonique L'état d'une eau dont les teneurs en calcium, CO 2 libre, bicarbonates et carbonates sont telles que, mise en contact avec du calcaire, ses caractéristiques ne changent pas. Dissolution/ précipitation du calcaire : équation bilan CO 2 + H 2 O + CaCO 3 <=> Ca 2+ + 2 HCO 3 dioxyde de carbone + eau + carbonate de calcium <=> calcium + hydrogénocarbonate
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Notions permettant la définition de l état d équilibre La dureté ou titre hydrotimétrique (TH) Elle exprime la teneur de l'eau en calcium (Ca) (et magnésium). Pour TH < 8 F, est dite douce. Pour TH > 15 F elle permet le dépôt de sels insolubles et incrustants Alcalinité ou titre alcalimétrique complet TAC L'alcalinité évalue le pouvoir tampon d'une eau. Le TAC est la grandeur utilisée pour mesurer le taux d ions hydroxydes, de bicarbonates (HCO 3 ) et de carbonates (CO 3 )
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Notions permettant la définition de l état d équilibre Conductivité Il existe une relation entre la teneur en sels dissous d'une eau et sa conductivité électrique. La conductivité est proportionnelle au degré de minéralisation. Agressivité C est l'aptitude d'une eau à dissoudre le calcaire. Elle est liée à la présence de CO 2 excédentaire (dit agressif) Dans ces conditions, la dissolution du calcaire se poursuit jusqu'à l'obtention de l'équilibre calco-carbonique.
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Notions permettant la définition de l état d équilibre Dioxyde de carbone (CO2) Dans l'eau, le gaz carbonique peut se trouver sous la forme de CO 2 libre ou de CO 2 combiné (bicarbonates, carbonates). Eau à l équilibre : contient une faible quantité de CO 2 dit équilibrant. Eau agressive : contient plus de CO 2 qu une eau à l équilibre dit CO 2 agressif (différence entre CO 2 libre et le CO 2 à l équilibre).
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Notions permettant la définition de l état d équilibre ph Le ph qui mesure évalue l acidé ou l alcalinité (ou basique)
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique ph Notions permettant la définition de l état d équilibre Le ph est l'un des critères de base permettant de définir l'agressivité. L évaluation de la position d une eau vis-à-vis de l équilibre calco-carbonique nécessite de calculer le ph d'équilibre ou de saturation (phs). Il correspond au ph théorique que doit avoir l'eau pour se trouver en équilibre avec le carbonate de calcium. Si : ph < phs : Eau agressive ph > phs : Eau entartrante ph = phs : Eau à l'équilibre
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Synthèse et objectif de l atteinte de l état d équilibre L objectif de la réglementation est la distribution d une eau à l équilibre respectant les valeurs de ph compatibles avec la potabilité de l eau (ph< 8,5).
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Synthèse et objectif de l atteinte de l état d équilibre L eau distribuée doit même être légèrement entartrante permettant la formation d une fine couche de protection (couche de Tillmans). Elle doit ainsi présenter les caractéristiques suivantes : 8<TAC<15 F, 8<TH< 15 F ph phs + 0,2
Notions de chimie de l'eau L équilibre calco-carbonique Protection de la Santé Enjeux de l atteinte de l état d équilibre Réduction du risque de dissolution des métaux (plomb en particulier) Elimination des «eaux rouges» due à la dissolution du fer Maintien d un meilleur taux de résiduel de chlore Préservation de l intégrité du réseau de distribution Sauvegarde du patrimoine Protection contre les fuites et les casses Limitation de l entartrage pouvant entrainer des pertes de charges importantes
Respect de la «règle des trois 8» : Traitement de neutralisation Objectifs Dureté minimale de l eau : TAC = 8 F et ph de saturation phs + 0,2 mais < à 8,5 ph = 8 pour favoriser la formation de la couche protectrice de Tillmans TAC = 8 F et ph = 8 implique que la dureté calcique TH = 8 F Connaissance préalable des caractéristiques physico-chimique: AnalyseS : t C, ph, conductivité, TAC (ou HCO 3 ), TH (Ca) + sulfates et chlorures Situation de l eau brute vis-à-vis de l équilibre calco-carbonique Indice de Langelier : IL = ph phs Indice de Ryznar : Tendance agressive ou entrante de l eau Indice de Larson : prise en compte de la présence d ions chlorures et sulfates pouvant induire une porosité de la couche de Tillmans Détermination de la quantité de CO 2 agressif
Traitement de neutralisation Objectifs Indice de Ryznar Tendance 4 à 5 Entartrage important 5 à 6 Entartrage faible 6 à 7 Équilibre 7 à 7,5 Légère corrosivité 7,5 à 8,5 Corrosivité notable > 8,5 Corrosivité importante Indice de Larson Tendance < 0,2 Pas de tendance à la corrosion 0,2 à 0,4 Faible tendance 0,4 à 0,5 Légère tendance 0,5 à 1 Tendance moyenne > 1 Nette tendance à la corrosion
Traitement de neutralisation Filière de traitement Elimination simple du CO 2 excédentaire : Au contact de l'air, le CO2 agressif s'élimine plus ou moins complètement selon que l'eau est peu ou très minéralisée. Cascade simple de 1 à 2 m Pulvérisation Aération (bulle) Stripping Concerne peu de typologie d eau, rarement suffisant. L'aération n'assure aucune reminéralisation de l'eau.
Traitement de neutralisation Elimination simple du CO 2 excédentaire par aération : Pulvérisation Cascades
Traitement de neutralisation Filière de traitement Ajout de CO 2 et de Chaux Répond à la formule : 2 CO 2 + Ca(OH) 2 Ca(HCO 3 ) 2 Avantages : Très bon pouvoir reminéralisant de la chaux (0,84 g/g CO 2 neutralisé contre 2,3 pour Neutralite) L injection de CO 2 permet un bon contrôle du ph et donc de la reminéralisation en sortie de filière Inconvénients : La chaux n est pas un produit pure (80 à 95 %) formation de matière en suspension qu il faut clarifier Le contrôle de la reminéralisation nécessite un dosage minutieux et adapté des quantités de CO 2 et de chaux injectées Process lourd et complexe réservé à de grande unité de production (eau de surface)
Ajout de CO 2 et de Chaux Traitement de neutralisation
Ajout de CO 2 et de Chaux Traitement de neutralisation
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire Utilisation de produit à base de carbonate de calcium (ou magnésium) En réagissant avec le CO 2 agressif il entraîne l augmentation du TH et du TAC Avantages : Nombreux réactifs sur le marché Filière simple (filtration et injection et/ou aération du CO 2 ) gravitaire ou sous pression Inconvénients : Prix de certains réactifs Dimensionnement de l installation en cas de débit important
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire Efficacité de cette filière fonction : De la réactivité du produit et de sa granulométrie De la température de l eau et des caractéristiques initial de l eau Du temps de contact avec le matériaux
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire : principaux matériaux
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire : principaux matériaux
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire Cas du CO 2 En fonction des caractéristiques de l eau à traiter il y a trois situations possibles : Elimination partielle du CO 2 (par aération) avant neutralisation Neutralisation directe Injection de CO 2 avant neutralisation
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire Différents types d installation Gravitaire simple
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire Différents types d installation Gravitaire simple
Traitement de neutralisation Filtres fermés Filière de traitement Neutralisation par du calcaire Différents types d installation
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire Différents types d installation Filtres fermés
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire Différents types d installation Filtration gravitaire
Traitement de neutralisation Filière de traitement Neutralisation par du calcaire Différents type d installation Filtration gravitaire
Les eaux trop dures nécessitent dans certains cas une réduction de leur minéralisation. Cas d entartrage trop important Décarbonatation et adoucissement Atteinte des conditions de solubilisation des carbonates de plomb A l'intérieur des conduites, une couche de carbonate de plomb très peu soluble se forme. Cette couche fournit une couverture protective pour les sous-couches de plomb des conduites. Dans une eau trop dure, le ph d équilibre étant parfois tellement faible que la formation de carbonate de plomb est impossible. Ainsi, malgré le bon niveau de minéralisation la présence de plomb dans les analyses est dès lors possible. Conditions de solubilité du plomb dans l eau
Décarbonatation et adoucissement Filière de traitement Précipitation : Principe : introduire un alcalin qui conduit à la précipitation de calcaire Deux substances principales : - la chaux qui va réagir avec le CO 2 et les bicarbonates pour former du calcaire - la soude qui formera des carbonates de sodium et du calcaire. Avec la chaux, on agit à la fois sur le TAC et le TH. Il y a production de CO2 qu il faut éliminer par aération. Avec la soude, l abaissement du TH (calcique) est double mais il y a en contrepartie, un enrichissement en sodium.
Décarbonatation et adoucissement Filière de traitement Précipitation : par électrolyse de l eau Principe : entre 2 électrodes l hydrolyse de l eau génère : - à la cathode (-) la formation d ions hydroxydes (OH-) qui vont permettre la transformation des bicarbonates en carbonates puis en calcaire - à l anode (+) les ions hydronium (H+) vont également réagir avec la ½ de bicarbonates pour dégager du CO 2 A noter que la présence de chlorures dans l eau peut conduire à la formation de chlore. La présence de matière organique peut également généré des holoformes ou autre sousproduits chlorés qu il conviendra également d éliminer.
Précipitation : par électrolyse de l eau Décarbonatation et adoucissement Filière de traitement Source Gaz et Eaux D après brevet erca²
Décarbonatation et adoucissement Filière de traitement Echanges d ions : Adoucissement et décarbonatation sur résines Principe : un mélange de polymères immergé dans l eau va permettre selon leur nature la permutation des ions positifs ou négatifs. Pour l adoucissement : échangeur de cations (+) avec un polymère de type R-Na (sodium) La régénération des polymères s effectue avec du chlorure de sodium (sel)
Décarbonatation et adoucissement Filière de traitement Echanges d ions : Adoucissement et décarbonatation sur résines Adoucissement La régénération des polymères s effectue avec du chlorure de sodium (sel). Le carbonate de sodium totalement soluble n a pas d effet protecteur sur les canalisations. La concentration en sodium est également rapidement importante pour l eau potable.
Décarbonatation et adoucissement Filière de traitement Echanges d ions : Adoucissement et décarbonatation sur résines Décarbonatation sur résines : utilisation d une résine particulière (dite carboxylique faible) qui ne fixe que les cations calcium et magnésium liés au bicarbonates. Procédé plus complexe car la régénération : - s effectue à l acide dont les rejets nécessitent une neutralisation. - nécessite également une quantité importante de CO 2 qui peut cependant être celle produite lors de la décarbonatation (recyclage).
Décarbonatation et adoucissement Filière de traitement Séparation membranaire : dispositifs lourds Osmose inverse : envisageable si dureté associée en chlorure, sulfates ou autre substances Indésirables (Ni, Se, ). Nanofiltration : plus envisageable avec membrane à faible réjection de sel qui limite l importance de la remise à l équilibre calco-carbonique rendu nécessaire