Soutenance mémoire
Synthèse bibliographique sur les processus de production d’eau potable
L’eau est essentielle à la vie et au bien-être. C’est pourquoi, elle a besoin d’être protégée, traitée et économisée. L’eau n’est pas seulement un ensemble de molécules H20 (deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène). Elle contient en réalité naturellement une très grande variété de matières dissoutes, inertes ou vivantes : des gaz, des substances minérales ou organiques, des microorganismes (bactéries, virus, plancton), ainsi que des particules en suspension (fines particules d’argiles, limons et déchets végétaux). En effet, l’eau est un excellent solvant qui se charge en composés solides ou gazeux tout au long de son cycle, suivant les milieux (rivières, zones humides, roches, atmosphère, etc.) dans lesquels elle circule ou séjourne : [1]
➤ Quand elle tombe en pluie, elle se charge des poussières atmosphériques,
➤ Quand elle ruisselle sur les sols (lessivage),
➤ Quand elle s’infiltre dans le sous-sol, elle se charge des produits d’altération des roches.
La composition chimique de l’eau est ainsi complètement liée aux caractéristiques du bassin versant dans lequel elle opère son cycle (la nature du sol et du sous-sol, les espèces végétales et animales, mais également les activités humaines). C’est la raison pour laquelle, il est nécessaire de la traiter et de l’économiser. D’autant plus que le troisième millénaire sera pureté aux pollutions.
Situation de l’eau en Algérie
L’Algérie est un pays semi-aride, voire même Aride (200 à 400mm) et les ressources en eau sont faibles, irrégulières, et localisées dans la bande côtière, l’apport total des précipitations serait de l’ordre 100 milliards de m³ d’eau par an dont 12.4 milliards de m³ en écoulements superficiels, et seuls 6 milliards de m³ sont mobilisables en tenant compte des sites favorables techniquement (Hydrologie, topographie, géologie). En Algérie la population était estimée à 23 millions en 1987 ; 28 en 1995 ; 32 en 2000 ; 40 en 2010 ; et 46 en 2020, soit une consommation potable et industrielle de l’ordre de 5 milliards de m³ alors que la mobilisation actuelle est à peine de 2 milliards. Il faudrait mobiliser dans les 20 années à venir 3 milliards de m³, en excluant les eaux d’irrigations et les fuites dans les conduites. En conclusion il faudrait mobiliser plus de 11 milliards de m³ d’eau en 2020, alors que les capacités théoriques sont de 6 milliards, un réel défi à relever, mais surtout une stratégie et politique à définir.
Composition des eaux à traiter (Analyses chimiques)
Les substances contenues dans l’eau
La quantité et la nature des sels dissous dépendent essentiellement de la nature géochimique des terrains que l’eau a traversée pendant son cycle. Il est donc évident que l’eau contient de nombreux composés qui peuvent se regrouper en quatre catégories .
Matières En Suspension (MES)
Les substances en suspension peuvent être d’origine minérale (sables‚ limons‚ argiles …) ou organique (produits de la décomposition des matières végétales ou animales) ‚ A ces composés s’ajoutent les micro-organismes tels que bactéries‚ plancton ‚ algues et virus. Ces substances sont généralement visibles à l’œil nu et responsables‚ en particulier‚ de la turbidité et de la couleur.
Matières Colloïdales : (MC) (mois de 1 micron)
Ce sont des éléments présents dans l’eau dans un état intermédiaire entre l’état dissous et l’état solide (invisible à l’œil nu). Doté à leur surface de charge électrique qui les maintient en suspension.
➤ Elles ne sont pas séparées par décantation ni par filtration.
➤ Leur élimination nécessite de neutraliser au préalable les charges électriques et les rassembler en particules plus grosses décantables et filtrables par ajout de coagulant ou floculant.
➤ Elles sont également génératrices de turbidité et de couleur .
Matières Organiques Dissoutes : (MOD) (moins de quelques nanomètres)
Elles sont souvent à l’origine de la coloration de l’eau ou des mauvais gouts. On peut en apprécier globalement l’importance par la quantité de permanganate de potassium qu’elles sont susceptibles de décolorer.
Sels minéraux
Ils proviennent de la dissolution des roches rencontrées par l’eau au cours de son infiltration. Cette dissolution s’accompagne d’une transformation de la matière dissoute phénomène d’ionisation. Le sel est électriquement neutre. Un sel minéral est constitué par l’association de deux groupes de particules :
➤ Le 1er a pour origine les acides.
➤ Le 2ème a pour origine les métaux.
Caractéristiques physiques de l’eau
➨ La température :
La température a une grande importance dans l’étude et la surveillance des eaux qu’elles soient souterraines ou superficielles ; les eaux souterraines gardent généralement une fraîcheur constante, mais la température des eaux de surface varie selon plusieurs facteurs, saisonniers et autres. L’eau de boisson a une bonne fraîcheur si sa température varie entre 9 et 12°C. Une température élevée des eaux dans le réseau de distribution peut être à la base d’un développement planctonique important dans les conduites ou d’une sursaturation en gaz dissous, susceptible de rendre les eaux blanchâtres.
➨ Matières en suspension :
La mesure des matières en suspension (MES) dans l’eau permet d’évaluer les risques (dépôts, détérioration des organes, en particulier de faible section, etc.) et de prévoir le traitement approprié en fonction de la charge de matières.
La présence de matières en suspension dans l’eau est souvent responsable de la turbidité de celle-ci (l’inverse n’étant pas systématiquement vrai). La mesure des matières en suspension est réalisée par filtration d’un volume connu d’eau sur un support calibré et s’exprime en mg/l.
➨ Turbidité :
La turbidité est la propriété d’une eau à présenter un aspect trouble, par opposition à la limpidité. Ce paramètre est un indicateur de la qualité d’une eau. La turbidité s’évalue manuellement, en comparant l’eau à analyser à une eau de référence rendue artificiellement turbide par addition d’un réactif approprié. Cette mesure est de nos jours réalisée à l’aide de turbidimètres mesurant le pouvoir de diffraction de la lumière par les solides en suspension (néphélométrie) contenus dans l’échantillon. Il existe plusieurs méthodes basées sur la diffraction de la lumière, chacune ayant son unité et son témoin.
✓ L’unité NTU (Nephelometric Turbidity Units) : unité la plus utilisée ;
✓ L’unité JTU (Jackson Turbidity Units) : son témoin est une solution de sulfate d’hydrazine et d’hexaméthylène tétramine ;
✓ L’unité FTU (Formazine Turbidity Units) : utilise également une solution de sulfate d’hydrazine et d’hexaméthylène tétramine, mais de concentration différente ;
✓ Goutte de mastic : dont la base est une solution alcoolique à 1 g/l de mastic végétal. Pour la sécurité de l’eau de boisson, il faut maintenir une turbidité inférieure à 5 NTU. Les Traitement correcteurs sont : la Filtration, Coagulation filtration.
➨ Caractères organoleptiques de l’eau :
♦ Couleur : La couleur est évaluée par comparaison de l’échantillon à la couleur de solutions de référence. Elle est souvent due à la présence de composés du fer ou du manganèse.
♦ Saveur : La détermination s’effectue en goûtant différentes dilutions de l’échantillon. La nature de la saveur doit être précisée (amère, goût de terre, goût chloré, etc.). Certaines molécules sont susceptibles de donner du goût à l’eau, même lorsqu’elles sont présentes en très faible quantité (quelques µg/l), comme par exemple les chloramines. Si l’eau renferme une trop grande quantité de chlorure, l’eau aura une saveur saumâtre. Si elle contient de forte quantité de sels de magnésium, l’eau aura un goût amer. Les mauvais goûts de l’eau ne sont pas graves du point de vue de l’hygiène, mais ils sont désagréables pour l’emploi de cette eau comme boisson. Les Traitement correcteurs sont : l’Aération, l’Adsorption, l’Oxydation et la Filtration.
♦ Odeur : Il s’agit de déterminer le seuil de perception de l’odeur en diluant l’échantillon jusqu’à la disparition de son odeur. Comme pour la saveur, la nature de l’odeur doit être précisée (odeur de chlore, d’herbe, de moisi, etc.).
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Synthèse bibliographique sur les processus de production d’eau potable
Introduction
1.1. Situation de l’eau en Algérie
1.2. Composition des eaux à traiter (Analyses chimiques)
1.2.1. Les substances contenues dans l’eau
1.2.2. Caractéristiques physiques de l’eau
1.2.3. Caractéristiques physico-chimiques
1.2.4. Caractéristiques chimiques
1.2.5. Caractéristiques microbiologiques
1.3. Les différents sources d’approvisionnement d’eau
1.3.1. Les eaux souterraines
1.3.2. Les eaux de surfaces
1.3.3. Comparaison entre les eaux superficielles et les eaux souterraine
1.3.4. Les eaux de mer et les eaux saumâtres
1.4. Classification des eaux (Faciès Hydro-chimique)
1.4.1. Classification par la formule ionique
1.4.2. Classification par représentation graphique (diagrammes)
1.4.3. Représentation Hypothétique en sels dissous
1.5. Généralité sur l’eau potable
1.5.1. Potabilité des eaux souterraines
1.5.2. Potabilité des eaux de surfaces
1.5.3. Quantité nécessaire
1.5.4. Pourquoi traiter ?
1.6. Processus de traitement des eaux de surface
1.6.1. Classification des unités de traitement des eaux de surfaces
1.6.2. Lignes directrices pour le traitement des eaux de surfaces
1.7. Prétraitement
1.7.1. Dégrillage
1.7.2. Micro-tamisage
1.7.3. Pré-chloration / pré-désinfection
1.8. Le traitement secondaire (La clarification)
1.8.1. La coagulation – floculation
1.8.2. La décantation
1.8.3. La filtration
1.9. Traitement d’affinage (désinfection)
1.9.1. Le chlore
1.9.2. L’ozone
1.9.3. L’ultraviolet
1.9.4. Avantages et inconvénients de chacune des méthodes
1.9.5. Critères du choix d’une méthode de désinfection
1.10. Conclusion
Chapitre 2 : Etats d’amélioration et de développement des décanteurs
Première partie : Les décanteurs sans équipements lamellaires (Simple)
2.1. Décanteurs statiques
2.1.1. Décanteurs sans raclage
2.1.2. Décanteurs simple à raclage mécanique des boues
2.1.3. Décanteurs à succion des boues
2.2. Décanteur à contact de boue (accélérés)
2.2.1. Décanteur à lit de boues
2.2.2. Décanteurs à recirculation des boues
Deuxième partie : Décanteurs lamellaires
2.3. Décanteurs lamellaires statiques
2.3.1. Le Sédipac
2.3.2. Sédipac en béton
2.3.3. Décanteurs Multiflo
2.4. Décanteur lamellaire à lit de boues
2.4.1. Le pulsatube
2.4.2. Le superpulsator
2.4.3. L’ultrapulsator
2.4.4. Le Cyclofloc (à lit de boues lestées)
2.5. Décanteurs lamellaires à recirculation de boues
2.5.1. Densadeg type RPL
2.5.2. Décanteur Actiflo
2.6. Derniers développements
2.7. Conclusion
Chapitre 3 : Approche théorique et outils de conception d’un monobloc coagulateur-décanteur
3.1. Introduction
3.2. Théorie de la Coagulation-Floculation
3.2.1. La floculation péri-cinétique
3.2.2. La floculation ortho-cinétique
3.2.3. Importance du gradient de vitesse
3.3. Conception des Ouvrages de Coagulation-Floculation
3.4. Théorie de la décantation (Vitesse de décantation des particules dans un liquide)
3.4.1. Particules isolées de forme sphérique
3.4.2. Particules réelles
3.4.3 Cas de suspension concentrées
3.4.4. Paramètre intervenant dans le processus de décantation
3.5. Procédure de dimensionnement des décanteurs
3.5.1. Décanteurs à écoulement horizontal
3.5.2. Décanteur à écoulement verticale
3.5.3. Décantation réelle
3.6. Application 1 : Station de Chaiba-Annaba Décanteur type Pulsator
3.6.1. Dose des réactifs et volume des boues
3.6.2. Bassin d’homogénéisation
3.6.3. Dimensionnement du bassin de décantation
3.7. Application 2 : Station de Guelma décanteur circulaire
3.7.1. Dimensionnement du bassin de coagulation
3.7.2. Dimensionnement du bassin de floculation
3.7.3. Dimensionnement du bassin de décantation
2.8. Conclusion
Chapitre 4 : Base mathématique de la mécanique des fluides numériques et Présentation du logiciel de simulation fluent
4.1. Introduction
4.2. Les équations fondamentales d’hydrauliques
4.2.1. Généralités sur les équations de Navier-Stokes
4.2.2. Définition et caractéristiques d’un écoulement turbulent
4.3. Principales approches de simulation
4.3.1. La simulation numérique directe (DNS)
4.3.2. L’approche statistique méthode RANS
4.3.3. La simulation des grandes structures turbulentes (LES)
4.4. Méthodologie de l’MDF numérique (CFD)
4.5. Les méthodes numériques de discrétisation
4.5.1. Discrétisation du domaine physique (maillage)
4.5.2. Discrétisation des équations aux dérivées partielles
A) Méthode des différences finies
B) La méthode des éléments finis
C) La méthode des volumes finis
4.5.3. Résolution des équations discrétisées
4.6. Effets de la turbulence dans les ouvrages d’écoulement à surface libre
4.6.1. Les courants secondaires
4.6.2. Le Dip phénomène
4.6.3. Effets de l’anisotropie de la turbulence et des conditions aux limites
4.7. Utilisation de La mécanique des fluides numérique pour prédire les écoulements dans un bassin de décantation
4.7.1. Modélisation de la surface libre
4.7.2. Conditions initiales
4.7.3. Conditions aux limites
4.8. Présentation du code de calcul numérique Fluent
4.8.1. Le prétraitement Géomesh & Gambit
4.8.2. Le solveur FLUENT 6
4.8.3. Le post-processeur
4.9. Procédures de résolution par fluent
4.9.1. Géométrie
4.9.2. Maillage
4.9.3. Setup & Résultats
4.9.4. Convergence
Conclusion
