Le traitement classique de l’eau brute

LE TRAITEMENT CLASSIQUE DE L’EAU BRUTE

MODELISATION MATHEMATIQUE DU TAUX DU SULFATE D’ALUMINIUM

Introduction

Notre étude a été menée en pilote expérimentale réalisanten des essais de floculation sur le jar test chaque fois que les caractéristiques des eaux de barrage BAB LOUTA se modifient .C’est cette modification rapide de la qualité et le temps de retard que représente l’essai de Jar-test qui nous ont poussé à mettre en œuvre un modèle mathématique du taux du sulfate d’aluminium conduisant ainsi à l’automatisation de l’étape de clarification de ces eaux et ce pour éviter la détérioration de la qualité des eaux produites d’une part et pour optimiser le taux de coagulant d’autre part .Cette modélisation s’appuie sur la méthodologie de surface de réponse en utilisant le plan d’expériences de BOX-BENKHEN généré par le logiciel NEMRODW.
Au début, nous avons établi la liste de tous les facteurs qui pourraient influencer sur le phénomène étudié, ils sont en totalité 5 descripteurs avant qu’ils soient restreint en 3 seulement et ce suite à une étude de criblage effectuée en se référant à la matrice d’HADAMARD.

PROCEDURE EXPERIMENTALE

Pour acquérir les données, des essais de floculation ont été lancés chaque fois que les caractéristiques des eaux de barrage BAB LOUTA se modifiaient. Chacun de ces essais a été complété par des analyses physico-chimiques (turbidité, température, TAC, pH, matières organiques).

Préparation des solutions et conduite de l’essai Jar-test

Tous les essais de coagulation-floculation ont étéconduits sur des solutions préparées par dissolution de composés de qualité analytique dansde l’eau distillée (pH = 6,0 à 6,8 ; conductivité
= 1 à 5 µS/cm et cl2 résiduel nul). Toute la verrer ie (de classe A) est nettoyée avec un mélange sulfochromique, rincée à l’eau distillée puis séchée à l’étuve à 110 °C.

Matériels utilisés

-Floculateur ORCHIDIS à six postes dont les pales tournent généralement de 0 à 260 tr/min.
-Six bocaux ou béchers de 1000 ml ainsi que des béchers de 50 et 100 ml.
-Erlenmyers de 250 ml.
-Entonnoirs de verre.
-Papier filtre.
-Pipette de 1ml, 5ml, et 10 ml.
-Thermomètre étalonné de 0,5 °C d’incertitude pour la mesure de la température.

Solutions de coagulant

Au cours de nos essais, nous avons utilisé comme réactif coagulant le sulfate d’aluminium en poudre (Al2 (SO4)3,18 H2O / 17% Al2O3), préparé par dissolution dans l’eau distillée. Une solution mère de 10 g/l est préparée périodiquement.

 Essai de coagulation – floculation ʿ Jar -test ʿ

Les essais de floculation ont été réalisés sur -jartest ORCHIDIS. Tous les résultats étant liés à l’emploi de cet appareil, nous lui avons tout d’abord apporté quelques modifications afin de le fiabiliser en augmentant la répétabilité de ses résultats
-d’une part, la configuration des béchers et des mobiles d’agitation a été modifiée selon les spécifications d’ANDREU-VILLEGAS et al, (1976). Ceci, afin de connaître la puissance dissipée en fonction de la vitesse de rotation des pales,
-d’autre part, chaque bêcher comprenant des chicanes a été muni d’une prise d’échantillon fixe permettant de prélever 300 ml de surnageant.
Les essais de Jar-test ont été réalisés sur un floculateur à 6 agitateurs (FLOCULATEUR ORCHIDIS) (voir annexe 1) avec une vitesse de rotation individuelle variant entre 0 et 260 tr/min. cet appareil permet d’agiter simultanément le liquide contenu dans une série de béchers remplis chacun de 1000 mld’eau brute .
Au cours de notre étude, l’ eau brute et le coagulant sont soumis pendant 2min à une agitation rapide de 120 tr/ min. la vitesse est par la suite réduite à 40 tr / min (vitesse de formation des flocons et leur taux de grossissement ) pour une durée de 20 min . Après une décantation de 30 min (une phase durant la quelle le floc déstabilisé est entraîné vers le fond des béchers), siphonner l’eau surnageant pour déterminer les paramètres physico-chimiques. Après filtration de l’eau décantée, nous déterminons la turbidité et le TAC.

Analyses physico-chimiques des paramètres influençant le phénomène étudié

Avant de procéder aux analyses nous sommes censés ed suivre les étapes suivantes
La propreté du matériel utilisé pour l’analyse.
S’assurer de la qualité des réactifs préparés et le respect des conditions et des délais maximums de leurs stockages.
Le suivi des modes opératoires, en respectant l’ordre d’ajout des quantités des réactifs et les volumes des échantillons à analyser.
Le respect du domaine d’application des méthodes d’analyses et les limites de sensibilité.
L’étalonnage des appareils de mesure avant chaque série d’analyse et chaque fois que les conditions d’analyse changent.
Le chauffage et la stabilité des appareils de mesure.
Le respect des temps de réaction avant d’effectuer les mesures. L’absence d’interférence d’autres éléments dans le dosage.

La turbidité colloidale

Définition
La turbidité désigne la teneur d’un liquide en matières qui le troublent. Elle est causée par des particules en suspension qui absorbent, diffusent et/ou réfléchissent la lumière.
Principe
La méthode néphélométrique est basée sur la comparaison de l’intensité de la lumière diffractée (effet Tyndall) par l’échantillon à celle de l’étalon de référence dans les mêmes conditions (longueur d’onde entre le rayon incident et diffracté).
Les valeurs de la turbidité colloidale sont déterminées par passage d’une solution turbide (contenant les MES) à travers un papier filtre. Le filtrat ainsi obtenu est placé dans la cuvette du turbidimètre où l’on mesure ce qu’on appelle la turbidité colloidale. L’unité utilisée est le NTU.

Le potentiel d’hydrogène

Principe
Le pH d’une eau est une indication de sa tendance à être acide ou alcaline, il est en fonction de la concentration des ions H+ contenus dans l’eau .
Dans les eaux naturelles l’activité des ions H+ est due à des causes diverses, en particulier l’ionisation de l’acide carbonique et des sels.
PH = -log [H+]
La présence norme pour eau naturelle et à consommation humaine est destinée à décrire la mesure du pH des eaux par deux méthodes
Soit par colorimétrie à l’aide d’un indicateur coloré dont la coloration obtenue est comparée à une échelle de teintes préparées à partir des solutions de pH connus. Cette méthode est valable pour la mesure du pH sur le terrain et ne doit être utilisée que pour des eaux naturelles dont le pH est compris entre 6 et 9.
Soit par potentiomètrie à l’aide d’électrode de verre. Cette méthode peut être utilisée pour la mesure du pH de tout type d’eau, aussi bien sur le terrain qu’au laboratoire.
Mode opératoire
La mesure doit être effectuée sur place au moment du prélèvement de l’échantillon de façon à ne pas modifier les équilibres ioniques par suite d’un transport ou d’une conservation prolongée. Le pH d’une eau potable doit être compris entre 6,5et 8,5 (Voir annexe 2).

Détermination de l’alcalinité de l’eau

Titre Alcalimétrique (TA)

Principe
TA correspond à la neutralisation des ions hy droxydes OH- et à la transformation de la moitié des ions carbonates en hydrogénocarbonates HCO(3-) par un acide fort.
Mode opératoire
On prélève 100 ml d’échantillon dans un erlenmeyerde 250 ml, on Ajoute deux gouttes de phénophtaléine (Indicateur de pH avec une zone de iragev de 8.3 à 10), dont deux manifestations peuvent se présenter, soit
Une coloration rose, qui signifie que le TA est différent de 0, ce qui nécessite un dosage par HCl (N/10) .On verse goutte à goutte jus qu’à la décoloration et on note le volume versé V.
Pas de coloration rose, ce qui signifie que le TA est égal à 0, donc pH de l’eau est inférieur à 8.3.
Les réactions mises en jeu sont
OH- + H3O+  2H2O
CO3 2- + H3O+  HCO3 -+H2O

Titre Alcalimétrique complet (TAC)

Principe
TAC le titre alcalimétrique complet correspond à la neutralisation par un acide fort des ions hydroxydes, carbonates et hydrogénocarbonates .
Mode opératoire
Pour déterminer le TAC, on utilise l’hélianthine comme indicateur coloré (avec une zone de virage de 3.3 à 4.6), qu’on ajoute à 100 ml d’éc hantillon pour donner une coloration jaune, ce qui nécessite un dosage par HCl, on ajoute un volume V’ d’acide chlorhydrique à l’aide d’une burette, tout on agitant après chaque goutte versé jusqu’à l’apparition d’une coloration jaune orangée.
Après ajout de l’hélianthine après dosage par HCl 0.1 N sur l’échantillon
Les réactions mises en jeu sont
OH- + H3O+ 2H2O
CO3 2- + H3O+ HCO3 -+H2O
HCO3 – + H3O+ H2CO3 + H2O
Expression des résultats TAC (méq/l) = Tb
Tombée de burette (Tb=(V + V’))

L’oxydabilité au permanganate de potassium

L’indice de permanganate d’une eau correspond à la quantité d’oxygène exprimée en mg/l cédée par l’ion permanganate et consommée par les matières oxydables contenues dans un litre d’eau.
Principe
L’oxydabilité consiste à oxyder les matières oxydables contenues dans l’échantillon par un excès de permanganate de potassium en milieu acide et à ébullition pendant 13 min.
-L’addition de l’acide oxalique permet la réduction de permanganate de potassium.
-On procède à un titrage en retour par le permanganate de potassium.
Mode opératoire
100 ml de l’eau à analyser + 2 ml de H2SO4
+10 ml de KMnO4 (N/100).
On porte le mélange à ébullition dans un bain marie pendant 13 min.
On ajoute 1 ml de l’acide oxalique (0,05M) on effectue un dosage en retour par KMnO4
Les réactions mises en jeu sont
C2O42-2CO2 + 2e-  MnO 4 -+ 8H++ 5e-Mn2+ + 4 H 2 O  – + 5C2O42- +16 H+ 2Mn  2MnO4 2+ + 10CO2+ 8 H2O
Et la réaction globale du dosage en milieu sulfurique s’écrira
KMnO4 + 5Na2C2O4 +8H2SO4 2MnSO4 + 10CO2+ K2SO4 +5Na2SO4+8 H2O
Expression des résultats [Oxydabilité] mg/l = Tb x 0,8
Tb Volume versé de KMnO.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Etude de criblage des facteurs

Les stratégies de criblage sont utilisées afin d’identifier rapidement les quelques facteurs dans un grand ensemble de facteurs potentiellement influents avec un faible nombre d’expériences.
Les matrices de criblage les plus connues sont les matrices de Hadamard ou matrice de plackett et burman (1946) (appelées aussi matrices des effets) pour les quelles le nombre d’expériences est proche du nombre de facteurs étudiés. [chatpfe.com]
Le but final de cette étude étant l’automatisationde l’étape de clarification de la station de traitement d’eau potable alimentant la Ville de TAZA, le modèle mathématique devait répondre à deux caractéristiques essentielles
– être le plus simple possible,
– faire appel aux descripteurs les plus informatifs.
Il fallait pour cela, tout d’abord, adapter les informations bibliographiques, parfois contradictoires, aux caractéristiques particulières des eaux de barrage BAB LOUTA.
Dans ce but, nous avons établi un diagramme de cause – effet et ce pour estimer l’influence de certains paramètres sur le taux de coagulant.

Choix des paramètres

Le diagramme d’ISHIKAWA (cause-effet) nous a permis de dégager 5 groupes de variables représentatifs des variations de la qualité de l’eau de BAB LOUTA. Ces paramètres sont la turbidité colloïdale, la température, l’alcalinité(ou TAC), le pH et les matières organiques (Oxydabilité) l’influence de l’ensemble des autres paramètres a été démontré.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
· AVANT PROPOS
· Présentation de l’ONEE (Branche Eau)
1- Historique
2- Missions principales
3- Directions régionales de L’ONEE (Branche Eau)
4- Aperçu sur la station de traitement BAB LOUTA
CHAPITRE I   PROCESSUS DE POTABILISATION D E S EAUX DE BARRAGE BAB LOUTA
· Introduction
· TRAITEMENT DES EAUX DE BARRAGE BAB LOUTA
I. LE PRE-TRAITEMENT DE L’EAU BRUTE
I.1 PRE–CHLORATION
Principe d’action
I.2 DEBOURBAGE
II LE TRAITEMENT CLASSIQUE DE L’EAU BRUTE
II.1 COAGULATION – FLOCULATION
II.1.1 La coagulation
II.1.1.1 Principaux caractéristiques de sulfate d’aluminium
II.1.1 .2 Déstabilisation des colloïdes
Pour surmonter les forces répulsives, deux possibilités peuvent être théoriquement envisagées
II.1.1.3 Les principaux facteurs influençant le processus de coagulation
La turbidité
La température
L’alcalinité
Le pH
Couleur liée à la matière organique
Les aspects mécaniques
II.1.2 La floculation
II.2 DECANTATION
II.3 FILTRATION
II .4 DESINFECTION
III. LE TRAITEMENT DES BOUES
· Conclusion
CHAPITRE II   MODELISATION MATHEMATIQUE DU TAUX DU SULFATE D’ALUMINIUM
· Introduction
I. PROCEDURE EXPERIMENTALE
I.1 Préparation des solutions et conduite de l’essai Jar-test
I.1.1 Matériels utilisés
I.1.2 Solutions de coagulant
I.2 Essai de coagulation – floculation ʿ Jar -test ʿ
I.3 Analyses physico-chimiques des paramètres influençant le phénomène étudié
I.3.1 La turbidité colloidale
Définition
Principe
I.3.2 Le potentiel d’hydrogène
Principe
Mode opératoire
I.3.3 Détermination de l’alcalinité de l’eau
I.3.3.1 Titre Alcalimétrique (TA)
Principe
Mode opératoire
I.3.3.2 Titre Alcalimétrique complet (TAC)
Principe
Mode opératoire
I.3.4 L’oxydabilité au permanganate de potassium
Principe
Mode opératoire
II. RÉSULTATS ET DISCUSSION
II.1.1 Choix des paramètres
II.1.2 Caractéristiques du problème
Tableau 1 Caractéristiques du problème
II.1.3 Domaine Expérimental
II.1.4 Réponse(s) expérimentale(s)
II.1.5 Matrice d’expériences
II.1.6 Analyse de la variance réponse Y1 Taux du coagulant
II.1.7 Estimations et statistiques des coefficients réponse Y1 Taux du coagulant
II.1.8 Interprétation 1
II.2 Modélisation
II.2.1 Présentation de la méthodologie adoptée
II.2.2 Justification du choix du modèle
II. 2.3 Domaine Expérimental
Tableau 7 Domaine expérimental
II .2.4 Réponse expérimentale
Tableau 8 Réponse expérimentale
II .2.5 Matrice d’expériences
II. 2.6 Analyse de la variance réponse Y1 Taux du coagulant
II. 2.7 Estimations et statistiques des coefficients réponse Y1 Taux du coagulant
II .2.8 Tableau des résidus réponse Y1 Taux du coagulant
II. 2.9 Interprétation 2
Conclusion générale
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Annexe 1
Annexe 2

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