En combinant un sous-dimensionnement des filtres chargés en produit 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.
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 les eaux chargées en CO2, il est possible de combiner un sous-dimensionnement de filtration sur filtres neutralisants avec une technique de neutralisation physique, dite à haut rendement.
L'exemple de la ville de Pexbach
L'usine d'eau de la ville de Pexbach alimente environ 20 000 habitants. Les besoins annuels s'élèvent à 830 000 m³ d’eau avec une consommation moyenne journalière d'environ 2 300 m³.
Dans l'ancienne usine 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 a dû être rénovée en prévoyant également une étape de traitement éliminant les contaminations organiques.
En fait, lors du parcours dans les canalisa-
Jusqu’à l'utilisateur, l’eau s’enrichit d’un certain nombre d’éléments liés aux matériaux en contact rencontrés. Indépendamment de l’oxydation de canalisations métalliques non protégées (corrosion), il est possible que certaines canalisations dotées d'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 être déterminée par l’équilibre calco-carbonique de l'eau. Par contre, 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 de sa distribution. Ce pH de saturation est différent pour chaque eau et, de façon importante, dépend de la concentration en gaz carbonique et en calcite (carbonate de calcium).
Évolutions réglementaires
Dans le cadre de l'ancienne législation allemande, l'agressivité calcique d'une eau était fonction de la valeur du pH. Dans la nouvelle législation, elle est fonction de la capacité de dissolution calcite (Dc). Dans le cadre de ces nouvelles dispositions, une certaine agressivité résiduelle est autorisée. Une eau est considérée comme suffisamment neutralisée quand la capacité de dissolution calcite est inférieure à 5 mg/l. Cette valeur s’obtient pour un pH de 7,7.
La courbe n° 1 indique 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. Il est donné la valeur correspondante du pH par rapport à la valeur de TAC (ou M-Wert). Pour une valeur de TAC inférieure à environ 2 mmol/l, les valeurs de pH correspondantes sont plus significatives : ainsi, le pH à obtenir pour un TAC de 1,5 mmol/l est de plus de 8 selon l’ancienne législation et se transforme en un pH de 7,7 seulement pour la nouvelle législation.
La notion de capacité de dissolution calcite comme limitation de l’agressivité calcaire induit, particulièrement pour les eaux douces, un assouplissement des exigences en termes 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 sur des filtrations de dolomites, avec les inconvénients qu'elles apportent, deviennent avec la nouvelle législation superflues.
Dureté
Il est démontré plus loin qu’en combinant la technique de la filtration sur produit calcaire et une neutralisation physique, les eaux douces à teneur élevée de CO₂ peuvent être neutralisées sans problème, tout en respectant les exigences de la législation TrinkW5.
Curieusement, les fabricants de matériaux filtrants pour la neutralisation ne donnent pas les vitesses de réaction correspondantes, d'une part à la dissolution calcaire, et d’autre part à la réduction de CO₂. Ils donnent par contre des courbes explicatives qui correspondent à l'ensemble. Plus précisément, 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 la valeur de pH.
Il y a cependant des limites à respecter, notamment pour les eaux contenant beaucoup de CO₂, 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 disponibles. En dehors des données de l’eau brute (TAC, TA, capacité de dissolution calcite et tempé-
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 de résultats d’installations existantes, en nombreuses quantités, sur des installations prévoyant une pré-neutralisation des eaux douces et riches en CO2.
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 CO2 de l’usine d’eau de Pexbach. La vitesse de réaction de neutralisation est pour les eaux riches en CO2 étonnamment grande et diminue pour une dureté croissante. À l’aide de la capacité de dissolution calcite sur la courbe 2, on peut calculer les données d’équilibre calco-carbonique.
Données des valeurs de pH, de TAC, et de teneur en CO2 par rapport à la capacité de dissolution calcite en fonction de la réduction de l’acide carbonique sur une filtration. À l’aide de ces calculs on obtient les éléments de traitement sur filtration calcaire et de neutralisation physique.
Pourquoi remonter la dureté ?
Les eaux douces riches en CO2 doivent, pour améliorer leurs propriétés en termes de corrosion chimique, être re-durcies par mélange. La teneur en ions hydrogénocarbonate est une condition, parmi d’autres, pour obtenir une couche protectrice sur les canalisations métalliques.
Pour les réseaux anciens ou pour les canalisations métalliques ou en alliage non protégées, la législation implique selon la norme DIN 50930 paragraphe 6, une capacité acide KS4,3 ≥ 2 mmol/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 < 2 mmol/l, c’est-à-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, 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.
Ainsi, 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 TH mais 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 Δc exigée est obtenu par une technique physique de neutralisation installée derrière le filtre.
La neutralisation à l’usine d’eau de Pexbach
Les anciennes lignes de traitement de l’usine d’eau de Pexbach étaient réalisées 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 neutralisation, le besoin était apparu 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’études a prévu les techniques suivantes :
- Sanitisation de l’ancienne installation et de la filtration sur charbon actif.
- Construction d’un étage de 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, il a été décidé de renouveler complètement l’installation de traitement d’eau à Pexbach.
L’objet 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 et la filtration des 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 cette installation comprend essentiellement une élévation de la dureté et une neutralisation.
L'installation de traitement d’eau est conçue sous forme de deux chaînes en parallèle. Chaque filtre à charbon actif est placé après le mélange des eaux d’alimentation pour un débit de 80 à 105 m³/h et chacune des chaînes de neutralisation est conçue pour un débit nominal de 105 m³/h et un débit de pointe de 130 m³/h. Lors de l'utilisation sur une chaîne du système de neutralisation, il est possible de passer un débit de 140 m³/h. Chaque filtre à charbon actif est conçu pour un débit minimum de 50 m³/h et est limité au maximum à 105 m³/h.
Le courbe n° 1 indique les paramètres des différentes eaux de mélange retenus pour le dimensionnement de ce système de neutralisation.
Le calcul de la filtration sur marbre et de la remontée en dureté correspondante a été réalisé par Baldauf et Henkel. La capacité de dissolution calcite des eaux mélangées, après mélange, se situe entre 140 et 150 mg/l.
Celle-ci, inchangée 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 TA des eaux brutes mélangées se situe entre 1,7 et 1,9 mmol/l. Selon les lois de réaction cinétiques et en raison des quantités de CO₂ 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 plus réduite. Ceci augmente le temps de contact dans les filtres et la vitesse de filtration avec ce temps de contact correspondant est réduite. Globalement, on retiendra que le mélange avec de l'eau by-passée rend l'eau plus douce... Pour l’installation de neutralisation, l’objectif est d’obtenir une capacité de dissolution calcite inférieure à 45 mg/l, correspondant à une valeur de pH voisin du pHc (pH de satura-
Quatre variantes différentes de traitement ont été imaginées et trois 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 dix minutes suivi d'une neutralisation physique. En ce qui concerne les composés carbonatés chlorés (CKW), la solution retenue offre une sécurité complémentaire : les composés carbonatés chlorés non retenus par les filtres à charbon actif peuvent 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 carbonatés chlorés (CKW), lors d'un by-passage partiel prévu de l'eau brute.
Le CO₂ excédentaire restant dans l'eau après la filtration (50 mg/l) est éliminé avec un appareil de stripping Aquadosil. Dans ce système à haute performance, l’élimination du CO₂ se fait par de 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 de variation des paramètres (variation de la quantité de CO₂ dans l'eau et du débit).
Les éléments techniques du traitement sont résumés dans la courbe n° 2. Les variations successives de l’équilibre calco-carbonique sont reprises dans la courbe n° 3. Lors 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, en cas de variation des paramètres et pour obtenir la valeur de pH désirée, se fait par ajustement de la vitesse de rotation des compresseurs.
