À travers l'étude de la qualité physico-chimique de quelques eaux souterraines du Sahara septentrional, le problème de l'excès en fluor et ses conséquences sanitaires Fluoroses) sont exposés. Les échantillons d'eau prélevés ont concerné la région orientale du Sahara septentrional algérien et ont montré des teneurs en fluor dépassant les normes dans les nappes les moins profondes (nappe du complexe terminal), associées à des conductivités et des duretés excessives. Un traitement simple et économique (précipitation chimique à la chaux) est préconisé et testé sur trois eaux naturelles destinées à l'alimentation en eau potable. Les bons rendements d'élimination du fluor peuvent être attribués à une quantité non négligeable en magnésium dans ces eaux et à des teneurs en fluor ne dépassant pas 5 mg/l. Un schéma des installations de traitement est également proposé en tenant compte de la qualité initiale de l'eau et des disponibilités de la région.
Le fluor est un oligo-élément qui a un double effet biologique sur l’homme selon un ensemble de facteurs dont le plus important est constitué par la dose. C’est ainsi qu’à faible dose, le fluor est indispensable à la minéralisation de l’os et confère à l’émail dentaire une résistance à la carie. Cependant, l’apport de quantités excessives est à l’origine de troubles fonctionnels ou lésionnels atteignant en particulier le système ostéodentaire, lieu privilégié de sa fixation dans l’organisme humain (Dean, 1934 ; OMS, 1972). Ces effets sont connus sous le terme de « Fluorose ».
Hormis l’influence de la pollution industrielle, il semble établi que, dans la plupart des cas, ce sont les fluorures contenus dans les eaux de consommation qui interviennent le plus lourdement dans l’apparition d’une fluorose endémique.
En Algérie, ce problème a été signalé pour la première fois par Vincent de l’Institut Pasteur en 1936. Par la suite, diverses études épidémiologiques (Boudiaf, 1974 ; Azout, 1978 ; Aroua, 1981) ont mis en évidence que le pourcentage le plus élevé d’habitants atteints par intoxication chronique correspondait à la zone orientale du Sahara septentrional.
Dans ces régions, les eaux souterraines constituent encore à l’heure actuelle la seule source d’approvisionnement en eau potable et les données disponibles (Achour, 1990) indiquent que les concentrations en fluorures de ces eaux dépassent souvent largement les teneurs limites recommandées par l’OMS, soit 0,6 à 0,8 mg/l selon la température diurne maximale de la région considérée.
Nous nous sommes donc intéressés à quelques eaux de la partie nord-est du Sahara algérien afin de déterminer leurs principales propriétés physico-chimiques.
Tableau 1 : Caractéristiques physico-chimiques d’eaux de la zone orientale du Sahara septentrional
| Nom du point d’eau et profondeur | Nature de la nappe | Destination | pH | Cond. mS/cm | F⁻ (mg/l) | TAC °F | TH °F | Ca²⁺ (mg/l) | Mg²⁺ (mg/l) | SO₄²⁻ (mg/l) | Cl⁻ (mg/l) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| El Oued | |||||||||||
| Guemar (8 m) | Phréatique (CT) | Irrigation | 7,48 | 4,21 | 4,05 | 7 | 287 | 726 | 253 | 998 | 775 |
| Chott (275 m) | Pontien (CT) | AEP | 7,97 | 4,37 | 2,81 | 9 | 142 | 261 | 184 | 817 | 700 |
| Hassi Khelifa (1580 m) | Albien (CI) | AEP | 7,88 | 2,70 | 0,74 | 11 | 94 | 66 | 186 | 1640 | 320 |
| Touggourt | |||||||||||
| Sidi Slimane (96 m) | Miopliocène (CT) | Irrigation | 8,10 | 3,12 | 3,08 | 13 | 175 | 320 | 228 | 990 | 1000 |
| Blidet Amor (1580 m) | Albien (CI) | AEP | 7,20 | 1,89 | 1,04 | 12 | 96 | 184 | 120 | 713 | 510 |
orientale du Sahara septentrional algérien dans le but d’en déterminer les principales caractéristiques physico-chimiques. À travers les résultats d’essais d’élimination des fluorures d’eaux suffisamment chargées en fluorures, nous montrerons également que le procédé de précipitation chimique à la chaux peut constituer une technique adaptée aux eaux de cette région.
Aperçu hydrogéologique sur les eaux du Sahara septentrional
Situé dans l’un des plus vastes et des plus arides déserts au monde, le bassin sédimentaire du Sahara septentrional couvre le sud et l’extrême sud algérien et de la Tunisie. En Algérie, il s’étend sur 700 000 km² (Castany, 1982). La lithologie des formations du Continental intercalaire (CI) et du Complexe terminal (CT), associée à des considérations hydrodynamiques, permet d’individualiser quatre unités aquifères dans le bassin oriental :
- la nappe phréatique du Quaternaire ;
- la nappe des sables du Miopliocène ;
- la nappe des calcaires de l’Éocène inférieur et du Sénonien ;
- la nappe des grès (Albien) ou du Continental intercalaire.
Dans cette région, la nappe des sables et celle des calcaires (CT) sont les plus exploitées par des forages peu ou moyennement profonds dépassant rarement 300 mètres de profondeur.
Prélèvements et procédure expérimentale d’étude de la qualité physico-chimique des eaux
Les échantillons d’eaux ont été prélevés dans les régions de Biskra, Ouargla, Touggourt et El-Oued situées dans le sud-est algérien. Ils ont concerné aussi bien les eaux destinées à l’alimentation en eau potable (AEP) qu’à l’irrigation.
Les dénominations des points d’eau, leurs profondeurs et la nature de la nappe considérée sont présentées dans le tableau 1.
Les principaux paramètres physico-chimiques déterminés se rapportent à la caractérisation de la composante minérale de ces eaux en plus des teneurs en fluorures évaluées par la méthode potentiométrique grâce à une électrode spécifique aux ions fluorures.
Caractéristiques physico-chimiques d’eaux de la zone orientale du Sahara septentrional
À travers les résultats du tableau 1, en commençant par ceux se rapportant aux fluorures, nous pouvons constater que ces teneurs sont relativement élevées et dépassent dans tous les cas les normes recommandées par l’OMS lorsque l’on considère les eaux du Complexe terminal.
Quelque soit la région considérée, les nappes profondes du CI sont moins chargées en fluorures et peuvent même être conformes aux normes de potabilité. La même constatation peut être faite lorsque l’on considère les valeurs de la conductivité. Ce paramètre est toujours supérieur à 1 000 µS/cm et correspond donc à des minéralisa-
tions totales élevées.
De même, les fortes teneurs en calcium et magnésium se traduisentpar une dureté (TH) excessive dépassant dans tous les cas 50 °F.
De telles quantités de magnésium pourront toutefois favoriser unedéfluoruration efficace lors d'un traitement par précipitation chimique à la chaux.
Par ailleurs, l'alcalinité des eaux (TAC) est bicarbonatée car le pHest toujours inférieur à 8,3. Cependant, ce TAC apparaît comme trèsfaible par rapport à la dureté totale (TH) et indique de ce fait la présence d’une dureté permanente très importante (TH-TAC). Elleserait essentiellement liée à la présence des chlorures et sulfatesdont nous constatons les teneurs élevées. Cette observation rejointdiverses études (collectif Unesco, 1972 ; Achour, 1990) indiquant letype sulfato-chloruré des eaux du Sahara septentrional.
Choix du procédé de défluoruration
par précipitation chimique à la chaux
Au vu des caractéristiques médiocres de qualité des eaux échantillonnées et notamment des teneurs en fluor élevées présentes dansces eaux, le traitement des eaux de distribution doit être envisagé.L'adoption d'une technique de défluoruration reste conditionnée parson efficacité mais également par la qualité initiale des eaux à traiter.En Algérie, il y a lieu de tenir compte par ailleurs de la situationsocio-économique de la région.
Il nous a donc semblé plus judicieux d’orienter nos essais vers unetechnique de mise en œuvre moins complexe que celle de procédésde déminéralisation tels que l’osmose inverse ou l’électrodialyse.D'autre part, la chaux est un réactif disponible en Algérie à un prixmodique.
L'efficacité du procédé est de plus garantie par la présence dans ceseaux de teneurs non négligeables en magnésium qui permet la formation d'un précipité d’hydroxyde de magnésium intervenant dansles mécanismes d’élimination des fluorures (Mazounie et Mouchet,1984 ; Youcef, 1998).
Pour toutes ces raisons, notre choix s'est porté sur la précipitationchimique à la chaux que nous avons testée sur trois eaux chargéesen fluorures et destinées à l’alimentation en eau potable.
Incidence de la précipitation chimique à la chaux
sur la qualité des eaux
L'application du procédé de défluoruration aux diverses eaux choisies (Doucen, Ede Meao, Chott) a consisté d'une part à déterminerles doses de chaux à utiliser pour une élimination optimale des fluorures et d’autre part à évaluer les valeurs des principaux paramètresde qualité après traitement.
Les essais ont été réalisés selon le protocole du Jar-test pour lequelles conditions optimales d'agitation et de décantation ont pu êtrefixées :
- - agitation rapide à 200 tr/min pendant 3 minutes ;
- - agitation lente à 40 tr/min pendant 17 minutes ;
- - décantation de 30 minutes.
L'évolution du fluor résiduel en fonction de doses croissantes de
Tableau 2 :
chaux hydratée introduite apparaît sur la figure 1 pour les eaux testées.
Nous pouvons constater que le procédé permet d’atteindre des teneurs résiduelles en fluor largement inférieures aux normes (Eau d’Ede Meao : 0,31 mg/l ; Chott et Doucen : 0,41 mg/l). En pratique, il ne sera pas nécessaire d’atteindre des teneurs aussi faibles en fluor puisque la limite inférieure des normes est de 0,6 mg/l selon l’OMS. Ceci permettra d’économiser sur les quantités de chaux utilisées et de préserver l’effet bénéfique d’un apport minimal en fluor.
Par ailleurs, le traitement permet d’aboutir à des rendements d’élimination élevés qui dépassent 84 % pour les trois eaux étudiées.
En parallèle aux mesures du fluor résiduel, le suivi de l’évolution du pH a permis d’observer que celui-ci augmentait avec l’accroissement des doses de chaux, avec un optimum entre 10 et 11. Ceci oblige le traiteur à réajuster le pH de l’eau traitée avant distribution.
À l’optimum du rendement d’élimination du fluor, les paramètres relatifs à la minéralisation présentent une baisse qui peut être non négligeable par rapport aux valeurs de l’eau brute (Tableau 2).
Relation entre la présence de magnésium et les rendements d’élimination du fluor
En représentant sur la figure 2 l’évolution du rendement d’élimination du fluor en fonction de la quantité de magnésium précipité, il paraît évident que les deux phénomènes sont étroitement liés. Nous pouvons ainsi constater que l’augmentation du rendement de défluoration a lieu parallèlement à celle du Mg²⁺ précipité. Toutefois, après l’optimum de rendement, il apparaît un palier correspondant à un ralentissement notable de la formation de Mg(OH)₂, qui pourrait être interprété par une saturation des sites d’adsorption sur la magnésie. Ceci, en supposant que le principal mécanisme d’élimination des fluorures soit une adsorption sur la magnésie Mg(OH)₂, chargée positivement dans le domaine de pH de son existence.
Afin de mettre en évidence le mécanisme d’adsorption du fluor sur la magnésie formée, nous avons déterminé les isothermes d’adsorption en nous basant sur les lois de Langmuir et Freundlich. L’obtention de droites avec un bon coefficient de corrélation nous a amenés à suggérer qu’il y a eu adsorption physique du fluor sur la magnésie. Les paramètres relatifs aux deux lois sont présentés dans le tableau 3 et semblent présenter une certaine corrélation avec les rendements d’élimination du fluor.
En particulier, les coefficients k et n de Freundlich et surtout q₀, la capacité maximale de Langmuir, varient dans le même sens que le rendement d’élimination du fluor.
Les mêmes phénomènes ont par ailleurs été mis en évidence sur des solutions synthétiques dopées en teneurs variables en
Il est donc possible, par le biais de la précipitation chimique à la chaux, de ramener les teneurs en fluor à une valeur conforme aux normes à condition que l'eau soit faiblement ou moyennement fluorée et qu’elle contienne suffisamment de magnésium.
Dans le cas contraire, on peut avoir recours à l'utilisation d’adjuvants (chlorure ferrique ou sulfate d’aluminium) (Youcef, 1998).
Proposition d’un schéma d’installation de défluoruration
Les installations de défluoruration par précipitation chimique à la chaux peuvent être conçues de la même manière que celles de l'adoucissement ou de décarbonatation à la chaux.
Pour les eaux du Sahara septentrional, nous pouvons prévoir une série de postes de traitement représentés sur la figure 3.
Préparation et dosage de réactifs
La chaux hydratée Ca(OH)₂ est dosée sous forme de lait de chaux à 10 g/l. Ceci aura l'avantage de mettre en œuvre de petits débits compte tenu des doses optimales de chaux au cours de nos essais.
Pour mettre en suspension le lait de chaux, 10 minutes d’agitation ont été suffisantes compte tenu du degré de pureté élevé (96 %) de la chaux utilisée.
La présence d'impuretés de la chaux peut bloquer la surface des précipités formés et donc provoquer une détérioration du rendement de défluoruration.
Mélanges rapide et lent (Floculation)
En se référant aux résultats de nos essais, 20 minutes (agitation rapide et lente) constituent un temps suffisant pour avoir un bon rendement de défluoruration. L’eau brute passe d’abord dans un bassin où l'on introduit la quantité de chaux exigée (et éventuellement l'adjuvant) et où a lieu l'agitation rapide.
L’eau est ensuite dirigée vers une autre chambre où elle subit une agitation modérée permettant le grossissement des flocs.
Tableau 3 : Paramètres relatifs aux isothermes de Langmuir et de Freundlich
Décantation
L'eau passe dans un décanteur statique à flux vertical et les boues déposées subissent une évacuation hydrostatique.
Recarbonatation
À la sortie du décanteur, l’eau présente un pH trop élevé, supérieur à 10. Une acidification jusqu’à un pH de l’ordre de 8 est nécessaire et permet en même temps de solubiliser le carbonate de calcium formé lors de l’ajout de la chaux.
Pour les eaux de notre région d’étude, l’acide sulfurique est déconseillé du fait qu’elles contiennent déjà des teneurs élevées en sulfates.
On peut donc préconiser l’acidification par injection de gaz carbonique CO₂ récupéré lors du dégazage de l’eau par détente à la sortie du forage. Si cette quantité de CO₂ est insuffisante, on procède à une combustion de gaz naturel et l’injection du CO₂ produit s’effectue dans les chambres de contact munies de diffuseurs.
Affinage
Pour aboutir à une meilleure clarification de l’eau, on peut prévoir une filtration sur sable qui retiendra les micro-cristaux de carbonate de calcium.
Une désinfection par le chlore est indispensable pour prévenir toute contamination de l’eau dans le réseau de distribution.
Traitement des boues
Les boues produites après défluoruration par précipitation chimique à la chaux sont volumineuses et minérales. Elles se déshydratent facilement après épaississement. Les lits de séchage traditionnels sont particulièrement adaptés compte tenu du climat chaud de la zone d’étude.
La mise en décharge de ces boues doit cependant se faire sous des conditions contrôlées pour éviter la contamination des nappes superficielles par les fluorures que ces boues contiennent.
Une autre solution consisterait en une calcination des gâteaux secs obtenus après déshydratation. Ceci permettrait aussi la production de CO₂ pouvant être utilisé pour la recarbonatation.
Sur la base d’essais poussés en laboratoire, le schéma proposé au cours de cette étude pourra être précisé, tant du point de vue du dimensionnement des ouvrages et leur conception que du prix de revient de l’installation.
Conclusion
Les prélèvements d’eaux de forage destinées à la distribution ou à l’irrigation ont permis de confirmer que les eaux de la région orientale du Sahara septentrional présentaient des teneurs en fluor dépassant les normes recommandées par l’OMS, tout au moins pour les nappes les plus superficielles. À cette caractéristique sont associées une minéralisation élevée et une dureté excessive avec toutefois des quantités non négligeables en magnésium, bénéfiques pour un procédé de défluoruration par précipitation chimique à la chaux.
…rées nous a permis de nous assurer de la validité de ce type de traitement. Les essais de défluoruration ont montré que de fortes doses de chaux sont nécessaires pour atteindre la précipitation optimale de Mg(OH)₂.
La présence de fortes teneurs en magnésium induit l'adsorption des fluorures à la surface du précipité de magnésie formée et aboutit à des rendements appréciables d'élimination des fluorures.
Une réduction partielle de la dureté totale et de la conductivité peut également être observée surtout si l'on utilise des adjuvants parallèlement à la chaux.
Notre étude aura permis également de fournir quelques précisions en vue de l'installation d'une station de défluoruration par le procédé choisi.
Au vu de cela, nous pouvons affirmer que la précipitation chimique à la chaux peut constituer un procédé de traitement efficace et adéquat pour les eaux de la région du Sahara septentrional, notamment pour les eaux de consommation qui ne constituent qu'une faible part (moins de 10 %) des débits prélevés des forages.
Références bibliographiques
* Achour S., (1990), La qualité des eaux du Sahara septentrional en Algérie. Étude de l'excès en fluor, Tribune de l'eau, Cebedeau, 42 (542), 53-57. * Aroua A., (1981), Problèmes de santé liés à l'hyperminéralisation de certaines eaux en Algérie, séminaire sur la déminéralisation de l'eau potable, 14-19 novembre 1981, Alger. * Azout B., Abraham J., (1978), Existence et causes des fluoroses humaines dans la région d'E-Oued, Annales de l'INA d'Alger, vol. 8, 3, 5-12. * Boudiaf A., (1974), Darmous et parodonpathies, thèse de doctorat en chirurgie dentaire, Université d'Alger. * Castany G., (1982), Bassin sédimentaire du Sahara septentrional (Algérie-Tunisie), aquifères du Continental intercalaire et du Complexe terminal, Bulletin du BRGM, 2, 127-147. * Collectif, (1972), Étude des ressources en eau du Sahara septentrional, Algérie-Tunisie, rapport final REG 100, 7 vol., Paris, Unesco. * Dean H.T., (1934), Classification of mottled enamel diagnosis, Journal of the American Dental Association, 21, 1421-1426. * Mazounie P., Mouchet P., (1984), Procédés d'élimination du fluor dans les eaux alimentaires, Revue française des sciences de l'eau, 1, 205-211. * OMS, (1972), Fluor et santé, série de monographies n° 59, Genève. * Youcef L., Achour S., (1996), Étude de la précipitation chimique à la chaux du fluorure de sodium en solution synthétique, Deuxième séminaire national sur l'hydraulique, 2-3 décembre 1996, Biskra. * Youcef L., (1998), Étude des possibilités d'élimination des fluorures des eaux souterraines par précipitation chimique à la chaux, thèse de magistère en sciences hydrauliques, Université de Biskra.
