Soutenance mémoire
LE TRAITEMENT DE l’EAU POTABLE
PRINCIPES GENERAUX DE TRAITEMENT DES EAUX
A l’origine, la qualité des eaux est telle que la plupart d’entre elles sont imbuvables pour l’homme qu’elles soient souterraines ou superficielles. Un traitement plus ou moins complexe est souvent nécessaire pour les rendre potables, ne serait-ce qu’une simple désinfection dans le cas des eaux souterraines [5] [6]. Plusieurs techniques existent mais dans ce mémoire, seule la filière la plus complète et la plus courante à Madagascar du traitement des eaux de surface douce (lac et rivière) sera traitée sans entrer dans les détails des procédés, sauf pour la coagulation. La chaîne habituelle comportant quatre étapes :
– Prétraitement ;
– Clarification ;
– Neutralisation ;
– Désinfection.
Prétraitement
Une eau à traiter doit subir un prétraitement pour être débarrassée des éléments dont la nature et la dimension gêneraient pour les traitements ultérieurs. Dans le cas d’une eau potable, le prétraitement comporte trois étapes :
– le dégrossissage ;
– le dégrillage ;
– le dessablage.
Le dégrossissage permet de protéger les unités de traitement en avals de l’arrivée de gros objets (morceaux de bois, etc.) susceptibles de provoquer des bouchages et qui pourraient nuire à l’efficacité des traitements suivants, ou en compliquer l’exécution. Le dégrillage quant à lui, permet d’éliminer des objets plus petits que ceux éliminés par le dégrossissage. Il s’agit de feuilles ou de morceaux de plastique par exemple. Le dessablage, comme son nom l’indique permet d’enlever le sable de l’eau.
Clarification
Cette étape consiste à éliminer les matières en suspension, la turbidité, la couleur et la plupart des matières organiques d’une eau brute. Elle participe aussi efficacement à la désinfection en éliminant 95% des germes. Elle comprend la coagulation-floculation et la filtration .
a) Coagulation-Floculation
Cette étape est l’une des plus importantes dans le traitement des eaux. Un mauvais contrôle de ce processus peut faire augmenter les coûts de fonctionnement et les qualités requises à la sortie peuvent ne pas être atteintes.
❖ Les matières en suspension (M.E.S)
Les M.E.S sont des particules solides très fines en suspension dans l’eau. Ce sont des substances d’origine organique (acides humiques, bactéries, microorganismes, …) ou minérales (argile, magnésium, fer, …) qui proviennent des eaux d’égouts domestiques, industrielles ou agricoles. Ces particules dites colloïdes sont surtout responsables de la turbidité et de la couleur de l’eau. Elles peuvent diminuer fortement l’efficacité des désinfectants chimiques comme le chlore ( Cl₂ ), l’ozone (O₃ ), d’une part en consommant une forte partie des doses ajoutées, d’autre part en protégeant les microorganismes de leur action [7]. Dans une eau de surface, les colloïdes portent des charges négatives situées à leur surface. Ces charges négatives attirent les ions positifs en solution dans l’eau. Ceux-ci sont étroitement collés au colloïde et forment la couche de STERN, qui attire à son tour des anions accompagnés d’une faible quantité des cations : c’est la couche de GOUY. Il existe entre ces deux dernières une couche appelée couche de NERNST.
La valeur du potentiel à la surface de la couche de NERNST est appelée « potentiel zêta ». Les colloïdes étant chargés négativement, ce potentiel est négatif. Dans les eaux naturelles, sa valeur varie de 0 à -100 mV. Ainsi, elles tendent à se repousser mutuellement et restent donc en suspension. On dit qu’il y a stabilisation des particules dans la solution.
La dose optimale de coagulant est, traditionnellement, déterminée à l’aide d’un essai expérimental appelé « Jar-test ». On utilise, à cet effet, un appareil permettant d’agiter simultanément, à une vitesse bien déterminée, le liquide contenu dans une série de béchers. Il faut en effet que la vitesse de rotation soit identique dans tous les béchers pour que les résultats soient comparables. Cet essai consiste à mettre dans ces récipients, contenant la même eau brute, des doses croissantes de coagulant et de faire l’essai de coagulation. Après quelques instants, on procède à l’analyse (turbidité, matières organiques, pH, etc.) de l’eau décantée. La dose optimale de coagulant est déterminée en fonction des résultats de l’analyse (Turbidité ≤ 5 NTU, pH neutre, …).
b) La séparation solide-liquide
Une fois le floc est formé, il faut le séparer de l’eau. C’est ce qu’on appelle la séparation solide-liquide.
Elle peut s’effectuer par différents moyens :
● la coagulation sur filtre ;
● la décantation ;
● la flottation.
A Madagascar, la décantation est le procédé le plus couramment utilisé actuellement. Les deux autres techniques sont quant à elles, plus adaptées aux eaux brutes peu chargées en M.E.S., possédant peu de coloration. C’est un procédé physique faisant appel à l’action de la pesanteur pour rassembler les flocons formés par la coagulation-floculation au fond d’un réservoir ou décanteur. Il existe deux types de décanteurs : les décanteurs statiques et les décanteurs à contact de boues. L’usage a consacré le terme statique pour désigner les décanteurs qui ne sont ni à circulation de boues, ni à lit de boues, bien que dans ces appareils, la décantation s’effectue en fait selon un processus dynamique.
Neutralisation
Cette étape consiste à amener le pH de l’eau qui vient d’être clarifié à l’équilibre, par acidification si son pH initial est supérieur à 7 et par alcalinisation s’il est inférieur à 7. Or, l’ajout de coagulant lors de la clarification entraîne une forte diminution du pH et l’eau devient donc acide ou corrosive. Cela est dû à l’augmentation des ions H+ lors de la réaction chimique eau + coagulant.
La mise en équilibre est obtenue par l’addition de substance alcaline comme la chaux.
Désinfection
La désinfection de l’eau destinée à la consommation humaine est l’étape finale indispensable dans toute filière de traitement de potabilisation de l’eau et dans la distribution.
Elle consiste à rendre cette eau exempte de :
● germes pathogènes pour la consommation humaine ;
● virus ;
● la majeure partie des germes banaux.
Les trois principaux désinfectants utilisés en eau potable sont les suivants :
– le chlore : c’est le plus connu et le plus universel. En solution, le chlore réagit avec l’eau pour former deux composés, l’acide hypochloreux ( HClO ) et des ions hypochlorites (ClO−). L’acide hypochloreux a un effet bactéricide plus important que l’ion hypochlorite. Le pourcentage respectif de ces deux espèces dans l’eau dépend du pH de l’eau. Plus le pH de l’eau est élevé, moins il y a d’acide hypochloreux pour une dose donnée de chlore.
– l’ozone : l’ozone est un gaz extrêmement instable et un oxydant très puissant. Il n’a pas de pouvoir rémanent et donc ne dispense pas d’un ajout de chlore sur le réseau pour une action bactériostatique. L’ozone est fabriqué sur place à partir d’oxygène à travers un champ électrique créé par une différence de potentiel entre deux électrodes de 10 à 20 kV. L’oxygène provient soit d’air sec, soit d’oxygène pur du commerce. L’ozone est certainement l’oxydant le plus efficace sur les virus, le fer et le manganèse. Il ne donne pas de goût à l’eau, contrairement au chlore, et oxyde fortement les matières organiques. Pour obtenir un effet désinfectant, le temps de contact doit être suffisamment long, d’où la nécessité d’ouvrages adaptés (tours de contact par exemple).
– le rayonnement U.V. : l’irradiation par une dose suffisante de rayonnement U.V. permet la destruction des bactéries, virus, germes, levures, champignons, algues, etc. Les rayonnements U.V. ont la propriété d’agir directement sur les chaînes d’A.D.N. des cellules et d’interrompre le processus de vie et de reproduction des micro-organismes. Comme pour l’ozone, elle n’est pas caractérisée par un effet rémanent.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : LE TRAITEMENT DE L’EAU POTABLE
I. Principes généraux de traitement des eaux
I.1 Prétraitement
I.2 Clarification
b) Coagulation-Floculation
b) Séparation solide-liquide
I.3 Neutralisation
I.4 Désinfection
II. Qualités de l’eau de consommation
II.1 Norme de l’eau potable
II.2 Pollution de l’eau
a) Pollution d’origine domestique
b) Pollution d’origine industrielle
c) Les rejets polluants agricoles
II.3 Effet des pollutions sur la santé
III. Solution proposée
CHAPITRE II : MODELE MATHEMATIQUE DU SYSTEME D’OPTIMISATION DE COAGULATION DANS UN TRAITEMENT DES EAUX
I. Mélangeur
II. Amplificateur d’Instrumentation
III. Modules de commande
III.1 Comparateur
III.2 Moteur à courant continu
IV. Pompe doseuse
CHAPITRE III: MACROMODELLING WITH PSPICE
I. Généralités
II. Hypothèses et principe de fonctionnement
III. Elaboration des macromodèles
III.1Macromodèle du mélangeur
III.2Modèle de l’amplificateur d’instrumentation
III.3Macromodèle du comparateur
III.4Macromodèle du moteur à courant continu
III.5Macromodèle de la pompe doseuse
CHAPITRE IV : SIMULATIONS
I. Exemples d’applications
I.1 Essai des macromodèles
a) Test du mélangeur
b) Test de l’amplificateur d’instrumentation
c) Test du comparateur
d) Test du moteur à courant continu
I.2 Simulation du système complet
CONCLUSION
ANNEXE
