TECHNOLOGIES DE LEAU - Alimentation en Eau Potable - 00AEP00

Bilan de la phase 3 (2004-2005)

Optimisation du procd de clarification Utilisation des

Polymres Cationiques

Isabelle BAUDIN Jean-Michel RODRIGUES

Sandrine HUET

Etude finance par l'Agence de l'Eau Seine Normandie

Dcembre 2005

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RESUME Lobjectif global de ltude est dapporter une solution pour fiabiliser le procd de clarification. Lintrt potentiel des coagulants organiques cationiques est ainsi tudi, pour loptimisation des performances de la clarification en terme dlimination de la turbidit, des particules, mais aussi de la matire organique. Cette tude est mene par le CIRSEE depuis 2001 avec le support financier de lAESN. Ce rapport fait la synthse de la phase 3 du projet, couvrant la priode dessais mens en 2004 et 2005 en lien avec les sites de production de Maromme (coagulation sur filtres), Gamarde (coagulation sur filtres de premier et second tage) et Morsang (coagulation/dcantation). Les polymres tests sont des EpiDMA et des PolyDADMAC, agrs en France pour leau potable depuis 2004, et commercialiss par SNF Floerger, avec monopole de ce fournisseur pour le march franais. Ces ractifs sont employs pour substituer une partie du sel mtallique habituellement appliqu comme coagulant. Des essais de coagulation sur filtre et de coagulation/dcantation ont t raliss lchelle laboratoire pour dterminer les dosages optimaux des ractifs ; les meilleures combinaisons ont ensuite t testes sur pilote (site de Gamarde) ou lchelle industrielle (sites de Maromme et Morsang).

CONCLUSION Des rsultats gnrs en laboratoire, sur pilote et sur site durant cette phase de tests industriels, il est possible de tirer ces principales conclusions quant lintrt de la mise en uvre des polymres cationiques en clarification : Pour chacun des projets suivis, il savre que les conclusions tires des essais en laboratoire ne peuvent tre directement extrapoles aux performance attendues sur pilote ou sur site industriel. Les ractifs EpiDMA et PolyDADMAC, taux de matire active quivalente, ont des performances comparables en limination de turbidit et matires organiques. Un polymre de masse molculaire moyenne est recommand pour les applications en traitement deau de surface par coagulation/dcantation, une masse plus leve est prconise pour le traitement deaux souterraines par coagulation sur filtres. En coagulation sur filtre (cas de Maromme) : ces ractifs, en alternative partielle au FeCl3, ont un intrt dans lallongement des cycle de filtration ; lintrt pressenti de ces polymres pour optimiser le traitement en priode pluvieuse (ressource de qualit dgrade avec pointes de turbidit > 10 NFU et matires organiques) na pu tre dmontr durant cette priode (qualit stable et bonne de la ressource durant la priode 2004/2005). Un lger excs (0,2 ppm au lieu de 0,1 ppm) de polymre sur des eaux peu charges en particule et matires organiques traites par coagulation sur filtre (cas de Maromme) peut entraner la formation de traces de NDMA sur eau traite aprs chloration. En coagulation sur filtres premier tage (sable) et second tage (CAG) (site de Gamarde), les mlanges prpars de ractifs (sels dAl et polymre cationique) vendus par SNF ont un intrt technique et conomique par rapport au coagulant minral seul (WAC). Cet intrt dmontr en laboratoire doit tre valid chelle industrielle. En coagulation/dcantation test sur lusine de Morsang, il ny a pas dintrt technico-conomique remplacer partiellement le sulfate daluminium par un coagulant organique, en priode estivale, quand la ressource est de bonne qualit et facile traiter. Lintrt potentiel des polymres cationiques pour traiter la ressource de qualit dgrade a t mise en vidence en laboratoire et sera teste sur site , en hiver, en 2006. Suite aux derniers essais sur le site de Morsang en 2006, la synthse des rsultats de lensemble du projet men sur la priode 2001/2005 sera tablie, avec recommandations de mise en oeuvre de ces ractifs, avantages et limitations de ces ractifs, pour loptimisation de la clarification applique aux eaux de surface ou aux eaux souterraines.

MOTS CLES Clarification ; Coagulation ; Decantation ; Filtration ; Polymres cationiques ; PolyDADMAC ; EpiDMA.

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SOMMAIRE

1 Introduction ................................................................................................. 7

2 Cadre du projet .......................................................................................... 8

2.1 HISTORIQUE DU PROJET.......................................................................................... 8

2.2 LES POLYMERES ORGANIQUES DE SYNTHESE : APPROCHE BIBLIOGRAPHIQUE. ...... 9 2.2.1 .....................Rappels sur le principe de la coagulation 9

2.3 AVANTAGES ET LIMITES DES POLYMERES ..............................................................12

3 Mise en uvre des polymres cationiques sur sites...........14

4 Rsultats des essais mens en 2004 sur le site de Maromme ...........................................................................................16

4.1 REACTIFS TESTES ..................................................................................................16

4.2 OBJECTIF ...............................................................................................................16

4.3 METHODOLOGIE........................................................................................................16

4.4 PRESENTATION DE LUSINE...................................................................................17

4.5 SUIVI DU PROCESS ET DE LA QUALITE ................................................................19

4.6 PLANNING REALISE ................................................................................................21

4.7 RESULTATS SUIVI HYDRAULIQUE ...........................................................................21 4.7.1 ...............................................................Rsultats sans polymre 22 4.7.2 ...............................................................Rsultats avec polymre 23 4.7.3Comparaison des performances de filtration avec ou sans polymre

4.8 RESULTATS : SUIVI QUALITE DEAU ................................................................. 24 4.8.1 ............................................................................................. Suivi MON 24 4.8.2 .................................................................Suivi micro-organismes 25 4.8.3Demande et cintique de chlore sur leau filtre CAG 26 4.8.4 ..........................................................Suivi Sous produit : NDMA 28 4.8.5 .........................................................................................Bilan rejet 29

4.9 CONCLUSION....................................................................................................... 30

5 Rsultats des essais mens en 2005 sur le site de Gamarde (coagulation sur filtres sable et CAG) ..................................................................................................31

5.1 CONTEXTE ...............................................................................................................31

5.2 OBJECTIFS .............................................................................................................31

5.3 DESCRIPTION DES ESSAIS LABORATOIRE ................................................. 33 5.3.1 .....................................................................Filtration sur sable 33 5.3.2 ..........................................................................Filtration sur CAG 33 5.3.3 ....................................................................... Materiel et mthode 33

5.4 RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : DETERMINATION DES DOSES OPTIMALES DE COAGULANTS EN FILTRATION SUR SABLE ET CAG.................................................. 34

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5.4.1 ...............................................................A.Test des Mlanges 34 5.4.1.1............................................. Coagulation sur filtre sable 34 5.4.1.2................................................. Coagulation sur filtre CAG 34

5.5 RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : TESTS DES COMBINAISONS DE REACTIFS : COAGULANT CATIONIQUE + COAGULANT MINERAL ...................................................... 35

5.5.1 ....................................Choix des doses de ractifs testes 35 5.5.2 ....................................................Coagulation sur filtre sable 35 5.5.3 ......................................................Coagulation sur Filtres CAG 37

5.6 RESULTATS : BILAN TECHNICO-ECONOMIQUE ...................................................... 37

5.7 RESULTATS DES ESSAIS PILOTE .......................................................................... 38

5.8 CONCLUSION .......................................................................................................... 39

6 Rsultats mens en 2005 sur le site de Morsang (clarification par coagulation et dcantation)............................................................................... 40

6.1 ESSAIS LABORATOIRE ........................................................................................... 40 6.1.1 ....................................................................... Planning des essais 40 6.1.2Protocole danalyse pour lvaluation de lefficacit des polymres6.1.3Rsultats danalyses pour le choix du taux de traitement optimal6.1.4Impact du traitement sur la performance des polymres

6.2 MISE EN PLACE SUR LA FILIERE DE TRAITEMENT ............................................ 45 6.2.1 ...........................................Planning des essais et objectifs 45 6.2.2 ................................................................................................Matriel 46 6.2.3 ................................................................................................Analyses 47 6.2.4 ....................................Essais complmentaires en prvision 47

6.3 RESULTATS DES ESSAIS SUR SITE....................................................................... 47 6.3.1 ....................................Evolution des paramtres de qualit 47 6.3.2Impact des polymres sur le colmatage des filtres sable 6.3.3Impact des polymres sur la qualit/quantit de boues53

6.4 BILAN TECHNICO-ECONOMIQUE.............................................................................. 55

6.5 CONCLUSION .......................................................................................................... 56

7 Conclusion gnrale ............................................................................... 57

8 Bibliographie............................................................................................. 59

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TABLE DES ILLUSTRATIONS

Tableaux Tableau 1 : Caractristiques des trois tranches de la station de Morsang............................................15 Tableau 2 : Sites tudis avec principales caractristique (qualit deau et traitement)......................15 Tableau 3 : Caractristiques des coagulants organiques employs lors des essais sur le site de

Maromme ...............................................................................................................................16 Tableau 4 : Dose des ractifs en fonction de la qualit de leau brute .................................................17 Tableau 5 : Taux de ractifs FeCl3/Polymre appliqus sur lusine de Maromme............................20 Tableau 6 : Planning des essais sur le site de Maromme ........................................................................21 Tableau 7 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 seul, sans

ajout de Polymre. Suivi sur priode 2004(semaines 27-53) et dbut 2005 (semaines 2-9) ........................................................................................................................22

Tableau 8 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 et ajout de Polymre. Suivi sur priode 2004 (semaines 47/53) et dbut 2005 (semaine 7/8) ..........................................................................................................................................23

Tableau 9 : Rsultats des campagnes danalyse de sous produits (NDMA et autres composs) .....28 Tableau 10 : Caractristiques des coagulants tests en coagulation sur filtre sur le site de

Gamarde .................................................................................................................................32 Tableau 11 : Qualit de leau brute. Aot 2005........................................................................................33 Tableau 12 : Qualit de leau filtre sable, usine. Aot 2005 .................................................................33 Tableau 13 : Bilan technico-conomique des essais laboratoire............................................................38 Tableau 14 : Rsultats de filtration sur pilote ...........................................................................................39 Tableau 15 : Planning des essais laboratoire (jar test) .............................................................................40 Tableau 16 : Abattement supplmentaire, en moyenne, des polymres cationiques compars

au sulfate seul, pour 30% de substitution et 1/10 de remplacement............................42 Tableau 17 : Rsultats dabattement partir dune eau prchlore.......................................................43 Tableau 18 : Consignes de dosage en coagulant ......................................................................................46 Tableau 19 : Planning des analyses effectues sur la tranche 2 .............................................................47 Tableau 20 : Paramtres de leau brute pendant la priode dessais (valeurs moyennes) ..................48 Tableau 21 : Comparaison des performances ..........................................................................................48 Tableau 22 : Concentration en aluminium dissous sur les tranches 1 et 2 ..........................................49 Tableau 23 : Moyennes des abattements des algues et bactries...........................................................50 Tableau 24 : Temps et volumes deau passs pour un cycle de filtration (consigne la perte

de charge)................................................................................................................................52 Tableau 25 : Vitesses moyennes de monte en perte de charge............................................................53 Tableau 26 : Analyses des cohsions de boues du dcanteur T2 ..........................................................55 Tableau 27 : Evaluation de lconomie de ractifs ..................................................................................55

Figures Figure 1 : Schma de laction combine des coagulants minraux et organiques...............................10 Figure 2 : Formule chimique du PolyDADMAC ....................................................................................10 Figure 3 : Formule chimique de lEpiDMA..............................................................................................10 Figure 4 : Distribution des masses molculaires pour EpiDMA et polyDADMAC .........................11 Figure 5 : Schma de lusine de Maromme...............................................................................................19 Figure 6 : Schma de lusine de Maromme avec points de prlvements et analyseurs ....................20 Figure 7 : Exemple de suivi de cycle de filtration pour une production sans polymre ..................22 Figure 8 : Exemple de suivi de cycle de filtration pour une production sans polymre....................22 Figure 9 : Synthse des performances de filtration du filtre 4 avec FeCl3 ou combinaison

FeCl3 + Polymre .................................................................................................................23 Figure 10 : Suivi de lvolution de la perte de charge du filtre test en priode de qualit

dgrade de la ressource ; traitement avec FeCl3 et polymre B...................................24

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Figure 11 : Suivi de lvolution de la dure des cycles de filtration du filtre test en priode de qualit dgrade de la ressource ; traitement avec FeCl3 et polymre B......................24

Figure 12 : Elimination du COT le long de la filire de traitement de Maromme pour diffrentes conditions de mise en uvre de coagulants..................................................25

Figure 13 : Elimination de labsorbance UV le long de la filire de traitement de Maromme pour diffrentes conditions de mise en uvre de coagulants ........................................25

Figure 14 : Elimination des Escherichia Coli le long de la filire de traitement de Maromme pour diffrentes conditions de mise en uvre de coagulants ........................................25

Figure 15 : Elimination des Entrocoques le long de la filire de traitement de Maromme pour diffrentes conditions de mise en uvre de coagulants ........................................26

Figure 16 : Elimination des Spores de germes sulfito-reducteurs le long de la filire de traitement de Maromme pour diffrentes conditions de mise en uvre de coagulants ...............................................................................................................................26

Figure 17 : Essais de demande en chlore sur eau traite sans polymre(essais diffrents temps de contact entre 50 minutes et 24h30)..................................................................27

Figure 18 : Essais de demande en chlore sur eau traite avec polymre A (essais diffrents temps de contact entre 16 minutes et 24h30)...................................................................27

Figure 19 : Cintique de consommation du chlore (essais diffrents taux de chloration exprime en chlore rsiduel) sur eau traite avec Polymre A.......................................27

Figure 20 : Rsultats de la campagnes danalyse de sous produits (NDMA et autres composs )sur eau ozone, eau traite chlore et eau du rseau du 19/11/04...........29

Figure 21 : Rsultats de la campagnes danalyse de sous produits (NDMA et autres composs) sur eau ozone, eau traite chlore et eau du rseau du 21/02/04...........29

Figure 22 : Suivi des rejets lors du lavage des filtres pour diffrents traitements de coagulation .............................................................................................................................30

Figure 23 : Exemple de profil de turbidit et de MES effectu sur les eaux de lavages dun filtre..........................................................................................................................................30

Figure 24 : Filtration sur sable-test des FLB ............................................................................................34 Figure 25 : Filtration sur CAG-test FLB...................................................................................................35 Figure 26 : Filtration sur sable-test des combinaisons diffrentes doses..........................................36 Figure 27 : Filtration sur sable-test des combinaisons 75 % de substitution ...................................36 Figure 28 : Filtration sur CAG - test des combinaisons .........................................................................37 Figure 29 : Comparaison des performances en turbidit et matire organique entre SA et

mlange sulfate/polymre 30% de substitution et diffrents taux de remplacement.........................................................................................................................41

Figure 30 : Impact de la dose de charbon actif en poudre sur les performances des polymres cationiques...........................................................................................................43

Figure 31 : Impact de la dose dacide sur la performance des coagulants ...........................................44 Figure 32 : Traitement final la soude : remise pH de leau...............................................................45 Figure 33 : Cuve de polymre et pompe de dosage.................................................................................46 Figure 34 : Dispositif de dilution en ligne.................................................................................................46 Figure 35 : Abattement de la turbidit des dcanteurs des tranches 1 et 2..........................................48 Figure 36 : THM totaux (sur leau traite de T2 aprs chloration) .......................................................51 Figure 37 : Evolution de la perte de charge sur le filtre 24 ....................................................................52 Figure 38 : Schma des piquages ................................................................................................................53

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1 Introduction La filtration et son traitement en amont (coagulation, dcantation,..) est le procd le plus appliqu en traitement conventionnel pour liminer les particules en gnral et des micro-organismes en particulier. Lefficacit et la fiabilit dune filire de traitement, dpendent fortement de loptimisation et du contrle de lensemble des procds de coagulation, floculation, sdimentation et filtration. La turbidit est aujourdhui le meilleur indicateur defficacit de ces traitements. Le contexte rglementaire et contractuel vis--vis de la turbidit volue rapidement et pousse le traiteur deau prendre des mesures au niveau des traitements, de leur optimisation et de leur contrle pour garantir une turbidit infrieure 0,5 NTU, 100% du temps (valeur de rfrence de qualit du dcret franais de 2001). Cet objectif de turbidit peut-tre garanti sur la plupart des filires de traitement optimises au niveau de la clarification et de la filtration en second tage. Labattement de la turbidit constitue lobjectif traditionnel de loptimisation du processus de coagulation/floculation pour le traitement des eaux potables. Cependant, depuis quelques annes, lattention sest attache sur llimination de la matire organique naturelle (MON) et paramtres lis comme la coloration, les gots et odeurs. La raison principale est de rduire la formation potentielle des sous-produits de dsinfection en liminant une partie de la MON, prcurseur de ces sous-produits. Labattement optimal de la MON requiert lutilisation de fortes doses en coagulant ainsi quun pH trs acide. La coagulation avance, ncessite alors lajout dune base en fin de traitement pour remise lquilibre de leau et peut entraner une concentration excessive en mtal rsiduel en sortie de traitement ainsi quune augmentation de la production de boues. Loptimisation et le contrle de la dose de coagulant sont donc un enjeu technique et conomique pour un traiteur deau. Lutilisation de polymres cationiques est une des voies potentielles prometteuses pour amliorer lefficacit et la fiabilit des procds de clarification. Ces polymres peuvent tre mis en uvre en tant quaide aux procds de coagulation, floculation et filtration en complment ou en alternative partielle aux ractifs minraux conventionnels. Leur performance dpendent peu du pH, la concentration en mtal rsiduel est rduite et le volume de boues galement. Cependant limpact sur la sant et lenvironnement retient particulirement lattention puisquils peuvent tre lorigine de produits de dsinfection. Le prsent projet sinscrit dans la continuit des expriences menes sur les polymres organiques cationiques ces quatre dernires annes. Ltude est ralise au sein du ple qualit eau du CIRSEE (Centre International de Recherche Scientifique sur lEau et lEnvironnement). Le contexte et lhistorique du projet sur les polymres cationiques sont rappels. Le travail effectu se porte sur lvaluation en laboratoire et sur filire de traitement des performances technico-conomiques des coagulants organiques par comparaison avec un coagulant minral.

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2 Cadre du projet

2.1 HISTORIQUE DU PROJET Dans le cadre de la valeur paramtrique pour la turbidit des eaux apparaissant dans le nouveau dcret franais, 0,5 NTU au point de mise en distribution, les polymres cationiques de type PolyDADMAC (ou PolyDiAllylDimthylAmmoniumChlorure) et EpiDMA (ou Epichlorhydrique-DimthylAmine), sont pressentis comme susceptibles daider fiabiliser la coagulation. Ces ractifs sont dj utiliss pour la production deau potable depuis plus de 20 ans dans dautres pays, comme les Etats-Unis et lAngleterre. Jusqu prsent, ces coagulants organiques ntaient pas autoriss en France pour des applications en eau potable. Une demande dagrment en France a t dpose en 2000 auprs de la Direction Gnrale de la Sant par la socit SNF Floerger. Cette demande concernait les ractifs PolyDADMAC , EpiDMA et mlanges de sels daluminium/Polymre cationique. SNF Floerger a reu fin mars 2004 lagrment pour une liste prcise de ractifs. Si un autre fournisseur veut obtenir lagrment pour des ractifs quivalents, il doit dposer un dossier de demande dagrment prouvant la fiabilit de sa filire de production. SNF Floerger est donc depuis 2004 la seule socit en mesure de fournir les coagulants organiques agrs en France pour leau potable. Les tudes ralises par le CIRSEE ont t menes en collaboration avec des exploitants de sites de production LDEF (Lyonnaise Des Eaux France) et finances en partie par lAESN (Agence de lEau Seine-Normandie). Le but de ce projet est dvaluer techniquement et conomiquement lintrt de ces ractifs et dmettre des recommandations de mise en uvre lattention des exploitants dusine de production deau potable. Ce projet a fait lobjet de rapports de synthse intermdiaires destins lAESN, qui seront rendus publiques par lAESN la fin du projet en 2006. En France, le march concern par lapplication de ces ractifs est le suivant: Tout site mettant en uvre des coagulants minraux (coagulation sur filtre et

coagulation/ dcantation / filtres) : 80 usines LDEF ; 270M m3/an. Sites prfrentiellement concerns : usines de coagulation sur filtre, sites connaissant

des vnements qualit hors norme en turbidit, aluminium, problme de pH, de corrosion

Sites avec problme de gestion des rejets. L'tude ralise en 2001 a permis de montrer l'intrt de l'utilisation des polymres cationiques (type PolyDADMAC et EpiDMA) pour le traitement en coagulation sur filtre d'eaux d'origine karstiques sujettes de grandes variations de turbidit. Ces coagulants organiques appliqus en substitution d'une partie (en gnral 30%) du sel mtallique utilis normalement, aluminium ou fer, garantissent l'obtention d'une turbidit d'eau filtre infrieure 0.2 NTU, 99 % du temps. D'autre part, les cycles de filtration sont allongs (jusqu' 180%, compar l'utilisation du chlorure ferrique seul), ce qui entrane une diminution des pertes en eau de lavage de 64%. Un bilan conomique a montr galement que l'application combine de coagulant organique (polymre cationique) et de coagulant minral classique (sel mtallique) permet de rduire les cots en ractifs de l'ordre de 10%.

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Ltude ralise en 2002 a permis de comparer les ractifs de synthse PolyDADMAC et EpiDMA des ractifs naturels (protines extraites du soja ou du Moringa). Tous les ractifs tests sont defficacit proche en terme dlimination des particules et des matires organiques. Le degr de cationicit peut permettre damliorer llimination des matires organiques dans certaines applications. Les taux optima de remplacement de sels de fer et de substitution ont t confirms : 30% de remplacement du coagulant minral par du polymre dos 1/10. Ltude ralise en 2003 avait pour objectif de quantifier le risque potentiel, cit dans la littrature, de formation dun sous-produit cancrigne (comme la N-Nitroso-dimthyl-amine ou NDMA) sur eau traite aprs ajout de polymre cationique et chloration. Les conditions testes ont t reprsentatives dune mise en uvre chelle industrielle des polymres PolyDADMAC et EpiDMA en combinaison avec des coagulants minraux pour un traitement de coagulation deau de surface. Aucune des conditions testes (variations des paramtres : nature des ractifs, taux de traitement en polymre coagulant, chlore, temps de contact, pH, prsence de nitrite, etc.) na men la formation de NDMA en concentration suprieure au seuil de dtection analytique (15 ng/l). Etude ralise en 2004 et 2005 : Lagrment a t dlivr en 2004 par la DGS (Direction Gnrale de la Sant) pour des ractifs des familles polyDADMAC et EpiDMA du fournisseur SNF Floerger. Des exploitants LDEF de filires de production deau potable se sont manifests pour tester l'chelle industrielle ces nouveaux ractifs, dont les performances et le faible risque de formation de sous produits associs ont t dmontrs lors des tudes prcdentes. En 2004 tait lvaluation lchelle industrielle de la faisabilit de la mise en uvre de polymres cationiques a t mene sur une usine de coagulation sur filtre (Marommes proche de Rouen). En 2005, des essais ont t mens sur le site de production par coagulation/dcantation de Morsang-sur-Seine, en rgion parisienne. Des essais ont galement t mens en lien avec le site de production par coagulation sur filtres sable premier tage, et projet dextension par filtration sur CAG en second tage, de Gamarde (prs de Bordeaux).

2.2 LES POLYMERES ORGANIQUES DE SYNTHESE : APPROCHE BIBLIOGRAPHIQUE

2.2.1 Rappels sur le principe de la coagulation On compte parmi les coagulants plusieurs familles dont les principales sont les sels mtalliques, les polyamines, les polyDADMAC, les rsines dicyandiamide ou les rsines mlamine formaldhyde. Ces coagulants sont minraux ou organiques, toujours cationiques forte densit de charge, de faible ou trs faible poids molculaire et sous forme liquide essentiellement. La combinaison sel minral (daluminium ou de fer)/polymre cationique permet une double action sur les matires en suspension et la matire organique. En effet, le coagulant minral, de part sa charge positive neutralise les particules comme expliqu plus haut tandis que le polymre cationique, de masse molculaire plus importante et grce sa charge positive galement, tend rassembler les agglomrats forms par le coagulant minral pour crer un floc plus gros et donc plus facilement dcantables. La figure 1 schmatise ce principe.

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Coagulant minral

Polymre cationique

MO

Particule

Figure 1 : Schma de laction combine des coagulants minraux et organiques

Description des coagulants organiques

Les ractifs la base des coagulants organiques sont des polymres de synthse (polyammines quaternaires) chargs positivement, la charge cationique tant apporte par une fonction ammonium quaternaire ; ces polymres sont de faible masse molculaire (

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Les polyDADAMAC, de part une distribution molculaire plus troite, sont des produits plus spcifiques. Ils ont un poids molculaire plus lev, sont plus efficaces pour la rduction de la turbidit et sont utiliss plus faible dosage (voir la figure 4).

PM

Wi

PM moyen PolyDADMAC

PM

Wi

PM moyen

Polyamines

Figure 4 : Distribution des masses molculaires pour EpiDMA et polyDADMAC

Une confusion a souvent lieu lors de lemploi de ces polymres organiques cationiques . En effet, il y a deux types de polymres organiques utiliss en traitement de leau : les PAHPM (Polymre Anionique Haut Poids Molculaire, 106 1012) utiliss comme adjuvants en tant que floculants; ils sont gnralement neutres ou chargs ngativement afin de neutraliser les charges du coagulant rsiduel, et les PCBPM (Polymre Cationique Bas poids molculaire, 104 105) utiliss comme coagulants. Des coagulants mixtes (type FLB, produit commercial SNF), mlanges de sels daluminium et de coagulants organiques, sont galement proposs avec une stabilit de ces mlanges dans le temps, limit 6 mois. Lintrt de ce ractif est de simplifier la mise en oeuvre de linjection de deux coagulants en un ractif.

Risque de sous-produits de dsinfection

Le polyDADMAC et lEpiDMA peuvent tre prcurseur de DMA ou TMA (dimthyl-amine ou trimethyl-amine) lorigine aprs oxydation par le chlore ou la chloramine :dun sous-produit : la NDMA (N-Nitroso-dimthyl-amine), forme par substitution nuclophile impliquant une amine (DMA ou TMA) et des nitrites comme prcurseur. La NDMA est une molcule organique de la famille des nitrosamines, caractrise par la fonction chimique N-N=O, semi-volatile, trs polaire et trs soluble dans leau (N2OC2H3). Elle est prsente dans de nombreux produits industriels. La NDMA a t dtecte en France en sortie de filires de traitement, mettant en uvre des rsines ou encore dans des effluents de STEP aux USA et au Canada. De nombreux articles relatent la formation de NDMA sur des filires mettant en oeuvre des polymres cationiques amins (groupe amin facilement coup au niveau du polymre), ou des rsines changeuses dions (de type ammonium quaternaire) et une dsinfection finale au chlore ou aux chloramines. Il ny a pas de norme concernant ce polluant aujourdhui, mais il fait partie de la liste des polluants prioritaires de lEPA. Les tudes de risque dapparition de cancer en lien avec ce polluant ont tabli une valeur maximale de 0.7 ng/l dans leau potable (ref USEPA 1997). La contamination par ce polluant ne concerne pas seulement leau, mais lair (polluant volatile), et les aliments. En France le laboratoire CERBIA IRIS (Groupe Emeraude) assure lanalyse de la NDMA et de 7 autres nitrosamines associes (NMEA, NDEA, NDPA, NPIP, NPYR,

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NMOR, NDMBA. NDEA et NDPA sont des molcules cancrignes concentration plus forte que le NDMA pour le mme risque. Loxydation par ozone des prcurseurs de DMA pourrait induire la formation de NDMA ; cependant des essais dozonation (dose ozone 1 5 mg/l) de solutions de polymres cationiques, mens en laboratoire nont pas mis en vidence de formation de NDMA (Najm et Trussel, 2000b). Les polymres de type Polyacrylamide ne forment pas ou peu de NDMA le groupe amin tant fortement li (liaison C=0) au niveau du polymre.

2.3 AVANTAGES ET LIMITES DES POLYMERES De nombreuses expriences de mise en uvre de ces ractifs en production deau potable, recenses dans la littrature, ont dores et dj permis dnumrer les diffrents points positifs et ngatifs des polymres cationiques. Lobjectif du projet est ainsi de quantifier les avantages et inconvnients lis lemploi de ces nouveaux ractifs de coagulation pour les appliquer en coagulation sur filtre et/ou en coagulation/dcantation. Les avantages des coagulants organiques cationiques par rapport aux ractifs conventionnels de coagulation/floculation comme les sels de fer ou daluminium sont les suivants : Sur le plan technique : Dosage en faible concentration Efficacit sur une large gamme de pH contrairement aux sels minraux classiques

dont lefficacit est fortement dpendante du pH Faible impact du dosage de ces ractifs, peu ou pas acides, sur le pH de leau

coagule. Ainsi les corrections de pH et dalcalinit sont rduites, voir supprimes rduisant les cots de ractifs et de stockage.

Avantage pour certaines eaux de ces ractifs sur llimination des matires organiques dissoutes

Matrise de lencrassement des filtres avec accroissement des cycles de filtration et diminution des pertes en eau par lavages

Sur le plan rglementaire : Opportunit pour fiabiliser une station de coagulation sur filtre en assurant une

turbidit des eaux filtres

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Les limitations dusage de ces ractifs sont : Sur le plan technique : Une confusion dans les applications entre polymres floculants et polymres

coagulants Une faible volont de changer un traitement conventionnel, bien matris, base de

sels mtalliques Problme de mise en uvre : impact sur la gestion du dcanteur mal connu Sur le plan rglementaire : Un risque dans le surdosage de ces ractifs qui entrane une dgradation des eaux

traites Formation de sous produits possible ; en particulier formation de NDMA. Applications/March : Le non agrment de ces ractifs en eau potable dans certains pays et lagrment

rcent en France (2004). La comptition avec les polymres naturels Le monople du fournisseur SNF Floerger en France Le cot par rapport aux coagulants minraux pour certaines applications Le cot des polymres li au prix du ptrole

14

3 Mise en uvre des polymres cationiques sur sites Les trois sites industriels de production deau potable du groupe, choisis pour mener bien lvaluation des performances des polymres cationiques sur la priode 2004/2005 sont les suivants :

Usine de Maromme

De capacit 1000 m3/h, cette usine traite des eaux souterraines par coagulation (sels de fer) sur filtres bi-couches suivi d un affinage par ozone + CAG. Cette usine a des problmes ponctuels de gestion des cycles de filtration, trop courts, spcialement en priodes occasionnelles o la ressource est de qualit dgrade (pointes de turbidit > 10 NFU). Les essais sur site, men en 2004, avaient pour objectifs de tester lintrt des polymres cationiques dans le renforcement de la fiabilit de la filtration sur ce site. Ce site a t choisi comme rfrence dessais chelle industrielle, la suite et en cohrence avec les conclusions des essais mens en laboratoire et sur pilote en 2001.

Usine de Gamarde

La station de traitement deau potable de Gamarde St Mdart en Jalles (33) traite une eau brute de nappe pour un dbit maximum de 600 m3/h. La turbidit de leau brute est en moyenne proche de 1 NFU, cest pourquoi la station possde un traitement de coagulation sur filtre efficace la plupart du temps. Cependant lors de fortes pluviomtries des valeurs suprieures 10 NFU peuvent tre enregistres au niveau de la ressource entranant une augmentation de la turbidit de leau traite pouvant atteindre 1.8 NFU. Il a ainsi t propos la modernisation de lusine, avec la mise en place dune coagulation sur filtre Charbon Actif en Grain (CAG), en aval de la coagulation sur filtre sable existante. Les points critiques sur ce site, sont ainsi la matrise du risque biologique, la rduction de la matire organique et le traitement des pesticides. Lobjet de ltude mene en 2005 tait de tester, au niveau laboratoire et pilote, diffrentes combinaisons de traitement de coagulation : WAC HB, employ sur site, sulfate daluminium et plusieurs types de polymres organiques.

Usine de Morsang

Lunit de traitement de Morsang-sur-Seine, cre en 1970, possde aujourdhui une capacit nominale de 225000 m3/j. Linstallation fonctionne 24h/24. En produisant 450000 m3/j, elle permet dalimenter en eau prs dun million dhabitants. Linstallation est divise en 3 tranches fonctionnant en parallle. Communment aux trois tranches, on trouve le dgrillage, le macro-tamisage sur des tamis de 1,5mm, une pr-oxydation ventuelle, linjection successive dacide, de coagulant, de CAP et de floculant Puis les trois tranches se dcrivent comme suit (tableau 1). Un des enjeux majeurs sur cette filire est loptimisation technique et conomique de llimination avance des matires organiques dissoutes, spcialement en hiver, quand la ressource est de qualit dgrade. Lobjectif de ltude mene en 2005 tait ainsi de comparer les performances du sulfate daluminium seul (appliqu sur les Tranches 1 et 3) avec celles dune combinaison sulfate daluminium/ polymre cationique mise en uvre sur la Tranche 2 de lusine.

15

Avec ces 3 tudes de cas, rsumes dans le Tableau 2, il a ainsi t possible de comparer les performances et limites dun traitement base de polymre cationique celles du traitement conventionnel en place, pour diffrentes configurations de qualit deau, de filires de traitement et dobjectifs viss.

Tableau 1 : Caractristiques des trois tranches de la station de Morsang

Tranche T1 Tranche T2 Tranche T3 Dbit moyen (m3/h) = 1500 1500 2000

Dcantation sur Pulsator Filtration sur CAG Aquazur

Ozonation

Dsinfection neutralisation ventuelle

Dcantation sur Superpulsator Filtration sur filtres sable

Ozonation

Filtration sur CAG Dsinfection

Neutralisation ventuelle

Dcantation sur-densadeg Filtration sur filtres sable

Ozonation Filtre CAG

Filtration sur CAG Dsinfection

Neutralisation ventuelle

Tableau 2 : Sites tudis avec principales caractristique (qualit deau et traitement)

Site Type eau

Valeur moyennes Turbidit/MO (NTU/DO.m-1)

Traitement Ractif de rfrence

Type dessais mens Priode de tests

Traitement test

Maromme Eau souterraine

- Coagulation sur filtres bicouches

- Sel de Fer

- Laboratoire et pilote : 2001 - Laboratoire et essais site :

2004 Polymre cationique+FeCl3

Gamarde Eau souterraine (5)

- Clarification (avec dcanteur)

- Sulf.Al - Laboratoire : 2005 - Essais site prvus en 2006

Polymre cationique + Sulf Al

16

4 Rsultats des essais mens en 2004 sur le site de Maromme

4.1 REACTIFS TESTES Les ractifs tests au niveau laboratoire et sur site sont ports dans le Tableau 3. Des polymres de type PolyDADMAC et EpiDMA de haute masse molculaire ont t choisis, recommands pour des application en coagulation sur filtres.

Tableau 3 : Caractristiques des coagulants organiques employs lors des essais sur le site de Maromme

Gamme Sries SNF Rfrence produit

% Matire active

PolyDADMAC (Polymre A)

Floquat FL 4000 PWG

FL 4820 PWG 20

Epi-DMA (Polymre B)

Floquat FL 3000 PWG

FL 3150 PWG 50

4.2 OBJECTIF Ltude mene en 2004 a trait les aspects suivants : Essais en laboratoire pour dterminer les doses optimales de ractifs coagulants Dtermination/confirmation sur site des doses optimales de ractifs dtermines en

laboratoire (pour une limination optimale de la turbidit et de la MO) Bilan qualit des eaux traites et des rejets Dtermination des conditions dexploitation des filtres (dure de cycles, pertes en eau,

etc.), particulires lusage de polymres. Avantages et limites.

4.3 METHODOLOGIE Avant les essais men en 2004 sur lensemble de lusine, il avait t envisag de doser le polymre cationique sur un filtre seul. Cette comparaison entre un filtre avec dosage FeCl3 seul et un autre avec dosage combin FeCl3 + polymres na pas t techniquement possible. La comparaison na donc pas t faite conjointement mais deux priodes diffrentes sur lensemble des filtres, avec et sans ajour de polymre cationique. Les deux polymres tests sur site sont ceux valus chelle laboratoire et pilote en 2001 : PolyDADMAC et EpiDMA. Le poste de prparation dalginate de lusine t utilis pour la prparation et linjection des polymres. Une dilution avec de leau de service a t ncessaire pour ne pas modifier les consignes de taux de traitement utilis avec lalginate et pilotes par Topkapi.

17

4.4 PRESENTATION DE LUSINE La filire de traitement (voir Figure 5) est la suivante : Pr-chloration :

Seulement lorsque lozonation est larrt avec taux de traitement de lordre de 1,0 g/m3.

Coagulation au FeCl3 : Le chlorure ferrique est inject en amont des filtres bicouches laide dune boucle dinjection. Le ractif est aspir par un venturi. Le taux de traitement est dpendant de la turbidit de leau brute (voir tableau 4). Le taux maximum est de 13 g/m3 de FeCl3 pur (31 g de solution commerciale/m3) et le taux moyen de lordre de 3 g/m3 de FeCl3 pur (7,3 g de solution commerciale/m

3).Une injection dalginate est ralise quand la turbidit de leau brute est suprieure 10 NFU.

Tableau 4 : Dose des ractifs en fonction de la qualit de leau brute

Turbidit eau brute (NFU) 2 3 5 10 15 20 Taux de FeCl3 pur (g/m3) 0 3 3 8 10 12 Taux dalginate pur (g/m3) 0 0 0 0 0,2 0,2

Leau coagule est ensuite filtre sur des filtres bicouches (4 filtres). Les caractristiques sont les suivantes : Filtration :

Surface filtrante unitaire : 32,8 m2 Vitesse de filtration : 7,6 m/h lorsque tous les filtres sont en fonctionnement et 10,1 m/h lors du lavage de lun dentre eux Couche infrieure compose de sable, hauteur = 0,5 m, taille effective = 0,7 mm Couche suprieure compose de pierre ponce, hauteur = 0,5 m, taille effective = 1,4 mm Mode de rgulation : maintien dun niveau constant au dessus du filtre. Dclenchement des lavages : Les lavages sont dclenchs au temps de filtration (48 h) ou la perte de charge (seuil dalarme 80 cm). Mode de lavage : contre-courant dair seul (55 m/h) suivi dun contre-courant deau seule (50-55 m/h) avec balayage de surface. Durant lt 2004 lensemble des filtres a t rnov : changement des matriaux :filtrants sable et pierre ponce, et remplacement des conduites de lavage des filtres par dautres en inox.

Ozonation :

Leau filtre est ozone avec un temps de contact de 15 minutes au dbit nominal de 1 000 m3/h dans deux chambres en parallle

Filtration sur charbon actif en grains :

Leau ozone est filtre sur deux filtres CAG. Le charbon utilis est du PK 1-3 commercialis par la socit NORIT. Le charbon a t remplac en mars 1999.Les caractristiques des filtres sont les suivantes : Surface filtrante unitaire : 44,8 m2 Hauteur de couche du CAG : 2,8 m

18

Vitesse de filtration : 11,2 m/h Division de chaque filtre en 6 cellules de 7,4 m2 Charge volumique : 4 V/V/h Mode de lavage : contre-courant air seul (55 m/h) et contre-courant deau seule (25 m/h)

Chloration finale :

En sortie des filtres CAG, une chloration est assure avec un taux de traitement de 0,5 g/m3.

Stockage deau traite :

Leau traite est ensuite stocke dans deux rservoirs de 2 500 m3 qui sont cloisonns. Le mlange des deux rservoirs alimente selon les besoins les deux usines de refoulement haute pression (550 m3/h qui dessert Mont St Aignan et Canteleu) et basse pression (350 m3/h qui dessert Maromme et Deville les Rouen).

La filire de traitement est dimensionne pour un dbit de 1 000 m3/h. La production usuelle est plutt de 900 m3/h. La marche et larrt de lusine sont asservis aux niveaux bas et haut des deux rservoirs deau traites. Lusine fonctionne essentiellement la nuit (10 12 H /j).

Ressources : Les eaux traiter proviennent : de sources dont le dbit total est de lordre de 400 m3/h, de forages dont les dbits sont les suivants :

F1 = 220 m3/h F2 = 350 m3/h F3 = 180 m3/h

Aprs un arrt dusine, lors de la remise en route le dbit deau brute suit une progression de 3 paliers.

Palier 1 : 5 min Palier 2 : 5 min Palier 3 : 5 min 200 m3/h 350 m3/h 700 m3/h

Le mlange des deux eaux brute donne une eau de bonne qualit (2 5 NFU). Lors des priodes pluvieuses, la turbidit peut dpasser 10 NFU, lie une charge importante en limons, avec peu dimpact sur la charge organique.

19

Forages

Sources

FeCl3 Ozonation

Coagulation sur filtres Bicouches (80m2)

Chloration Distribution

Filtration sur CAG

Polymre

Figure 5 : Schma de lusine de Maromme

4.5 SUIVI DU PROCESS ET DE LA QUALITE Lemplacement des analyseur en ligne de lusine, ceux mis en place par le CIRSEE , et les diffrents points de prlvement pour analyse deau sont ports sur la Figure 6. Les paramtres dvaluation des performances de la filtration sont les suivants : Qualit des eaux filtres : suivi de la turbidit, de la teneur en micro-organismes et

matires organique. Dure dun cycle de filtration : permettant de calculer la production du filtre (UFRV

en m3/m2 = dure du cycle (h) x vitesse de filtration (m/h)), la capacit de rtention (en kg/m3 = (UFRV x MES (mg/L)) / (1000 x hauteur du milieu filtrant (m)).

Perte de charge en fonction du temps permettant de suivre l'volution du front de

filtration et de dterminer le type d'encrassement qui s'opre dans la masse filtrante. La vitesse moyenne de monte en perte de charge (en cm/h) est gale la diffrence entre la perte de charge en fin de la phase de maturation et en fin de cycle, divise par la dure du cycle de filtration.

Les consignes de traitements appliqus sur site sont ceux tablis lors dessais

laboratoire prliminaires et rsums dans le Tableau 5. Le polymre A est le PolyDADMAC (20% de matire active), et le Polymre B est lEpiDMA (50% de matire active) (voir Tableau 2).

20

Forages

Ozonation

Coagulation sur filtres Bicouches (80m2)

ChlorationDistribution

Filtration sur CAG

Sources

FeCl3

Eau brute:Bactrio,COT, UV

Filtre 4:Bactrio,COT, UV

Eau traite avant chloration:Demande en chlore

Eau ozone:NDMA

Eau refoule:COT, UVNDMA

Rseau:NDMA

N 1

N 2

N 3

N 4

Polymre

Filtre 4:Mesures CIRSEETurbidit: 0-2 NTUParticules >2mMesures usinePerte de charge

Filtre CAG:Mesures CIRSEETurbidit: 0-2 NTU

Rejet lavage Filtre 4:MES, pH, Fe, P, NTK, DBO5, DCO,Profil Turbidit et MES

Eau filtre:Mesures usineTurbidit

Eau brute:Mesures usineTurbidit,dbits, Taux Traitement

Forages

Ozonation

Coagulation sur filtres Bicouches (80m2)

ChlorationDistribution

Filtration sur CAG

Sources

FeCl3

Eau brute:Bactrio,COT, UV

Filtre 4:Bactrio,COT, UV

Eau traite avant chloration:Demande en chlore

Eau ozone:NDMA

Eau refoule:COT, UVNDMA

Rseau:NDMA

N 1

N 2

N 3

N 4

Polymre

Filtre 4:Mesures CIRSEETurbidit: 0-2 NTUParticules >2mMesures usinePerte de charge

Filtre CAG:Mesures CIRSEETurbidit: 0-2 NTU

Rejet lavage Filtre 4:MES, pH, Fe, P, NTK, DBO5, DCO,Profil Turbidit et MES

Eau filtre:Mesures usineTurbidit

Eau brute:Mesures usineTurbidit,dbits, Taux Traitement

Points de prlvement: Filire

Points de prlvement: Eaux de lavage du filtre test 4

Analyseurs en ligne: Usine ou CIRSEE

Points de prlvement: Filire

Points de prlvement: Eaux de lavage du filtre test 4

Analyseurs en ligne: Usine ou CIRSEE

Figure 6 : Schma de lusine de Maromme avec points de prlvements et analyseurs

Tableau 5 : Taux de ractifs FeCl3/Polymre appliqus sur lusine de Maromme

21

4.6 PLANNING REALISE Le planning des essais raliss sur site est port dans le Tableau 6.

Tableau 6 : Planning des essais sur le site de Maromme

Ractifs Turbidit EB

Moyenne - Maxi

FeCl3 Polymre A PolyDADMAC

20% (dilu 2%)

Polymre B EpiDMA

50% (dilu 0.8%)

Anne Semaine Date Filtre test

(NFU) (g/m3) (g/m3) (g/m3) 2004 sem 27-28 01 au 15 Juil F4 ancien matriau 1,5 - 5 3 0 0 2004 sem 28-41 15 Juil au 5 Oct F4 Hors Service 1 - 2 0 0 0 2004 sem 41-44 5 Oct au 28 Oct F4 nouveau matriau 1 - 2 0 0 0 2004 sem 44 46 28 Oct au 15 Nov F4 nouveau matriau 1,5 - 5 3 0 0 2004 sem 47 15 Nov au 22 Nov F4 nouveau matriau 1,5 - 6 2 0,5 0 2004 sem 48 22 au 29 Nov F4 nouveau matriau 1,5 - 8 2 0 0,2 2004 sem 49 51 29 Nov au 20 Dec F4 nouveau matriau 1,5 - 5 2 0 0,2 2004 sem 52 20 au 30 Dec F4 nouveau matriau 10 - >25 2 10 0 0,2

2004 / 2005 sem 53 6 30 Dec au 14 Fev F4 nouveau matriau 2 - 12 3 0 0 2005 sem 7 14 au 21 Fev F4 nouveau matriau 1 - 12 2 0,5 0 2005 sem 8 21 au 28 Fev F4 nouveau matriau 1,5 - 15 2 0 0 2005 sem 9 28 Fev au 9 Mars F4 nouveau matriau 1 - 12 2 0 0 Remarques :

Jusquau 15 Juillet, le filtre test N4 tait quip de lancien matriaux Les valeurs maximales de turbidits correspondent aux pics de turbidit lors des

remise en route de lusine. La priode de qualit dgrade se situant pendant les priodes de ftes de fin danne

(dcembre 2004) et tant de courte dure , il na pas t possible de tester les deux polymres dans les mmes conditions. Le coagulant minral a t augment pour traiter cette pointe de turbidit sans pour autant maintenir le rapport avec le polymre comme il tait recommand.

4.7 RESULTATS SUIVI HYDRAULIQUE La combinaison du temps de cycle avec la perte de charge permet de comparer les performances de filtration pour les conditions de traitement avec et sans polymre. Ces rsultats sont ports dans les Tableaux 7 et 8 pour les bilan de performances de filtration sans polymre et avec respectivement. Un exemple de suivi de cycles de filtration (suivi du filtre test) est donn figures 7 et 8 pour une production sans ajout de polymre. Les rfrences considres sont soit une perte de charge de 80cm soit un temps de production de 24h. Les paramtres ports dans les Tableaux 7 et 8 sont les suivants : Temps de filtration (h) ncessaire pour atteindre la consigne de perte de charge Volume pass (m3/m2) avant datteindre la consigne de perte de charge Colmatage (cm/24h de production)

22

4.7.1 Rsultats sans polymre

Tableau 7 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 seul, sans ajout de Polymre. Suivi sur priode 2004(semaines 27-53) et dbut 2005 (semaines 2-9)

Semaine 27 51 52 52 53 2 3 4

FeCl3 3 3 3 3 3 3 3 3AB 0 0 0 0 0 0 0 0Tfiltration DeltaP= 80cm 20 49 18 23 35 45 43 42Colmatage (cm/24h production) 50 23 85 58 35 27 29 31Vol pass (m3/m) DeltaP=80cm 225 551 203 259 394 506 484 473Turbidit Eau Brute (NTU)

23

4.7.2 Rsultats avec polymre

Tableau 8 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 et ajout de Polymre. Suivi sur priode 2004 (semaines 47/53) et dbut 2005 (semaine 7/8)

Semaine 8 48 48 49 50 47 7 53

FeCl3 2 2 2 2 2 2 2 6A 0,5 0,5B 0 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2Tfiltration DeltaP= 80cm 47 47 57 57 49 50 32 21Colmatage (cm/24h production) 28 24 35 19 21 33 37 75Vol pass (m3/m) DeltaP=80cm 529 529 641 641 551 563 360 236Turbidit Eau Brute (NTU)

24

Figure 10 : Suivi de lvolution de la perte de charge du filtre test en priode de qualit dgrade

de la ressource ; traitement avec FeCl3 et polymre B

0

5

10

15

20

25

20/12/04 21/12/04 22/12/04 23/12/04 24/12/04 25/12/04 26/12/04 27/12/04

Figure 11 : Suivi de lvolution de la dure des cycles de filtration du filtre test en priode de

qualit dgrade de la ressource ; traitement avec FeCl3 et polymre B

4.8 RESULTATS : SUIVI QUALITE DEAU En cohrence avec la faible teneur en turbidit de leau brute, la qualit de la ressource durant les essais mens en 2004 tait trs bonne pour les paramtres suivis : matires organiques (COT, Absorbance UV voir Figures 12 et 13 respectivement), micro-organismes (E.Coli, entrocoques, spore voir Figures 14, 15 et 16 respectivement ). Il na pas ainsi t possible de mettre en avant lintrt de la combinaison FeCl3+Polymre par rapport au traitement par FeCl3 seul, sur llimination renforce des matires organiques naturelles (MON) ou des micro-organismes. Globalement llimination des MON par coagulation sur filtre est faible avec ou sans ajout de polymre, et celle des microorganisme bonne voire totale avec ou sans polymre.

4.8.1 Suivi MON Filire : Campagne de prlvement sur la filire de traitement.

25

Evolution du COT dans la filire de traitement

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Eau brute Eau filtrebicouche F4

Mlange Eaufiltre

Eau refoule etchlore

COT

(mg/

l)

2ppm FeCl3 - 21Fev05

2ppm FeCl3 - 22Fev05

2ppm FeCl3 + 0.5ppm A -19Nov042ppm FeCl3 + 0.5ppm A -15Fev052ppm FeCl3 + 0.2ppm B -26Nov043ppm FeCl3 - 28Fev05

3ppm FeCl3 - 01Mars05

3ppm FeCl3 - 08Mars05

Figure 12 : Elimination du COT le long de la filire de traitement de Maromme pour diffrentes

conditions de mise en uvre de coagulants

Evolution de l'UV dans la filire de traitement

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Eau brute Eau filtrebicouche F4

Mlange Eaufiltre

Eau refoule etchlore

UV (m

-1)

2ppm FeCl3 - 21Fev05

2ppm FeCl3 - 22Fev05

2ppm FeCl3 + 0.5ppm A -19Nov042ppm FeCl3 + 0.5ppm A -15Fev052ppm FeCl3 + 0.2ppm B -26Nov043ppm FeCl3 - 28Fev05

3ppm FeCl3 - 01Mars05

3ppm FeCl3 - 08Mars05

Figure 13 : Elimination de labsorbance UV le long de la filire de traitement de Maromme pour

diffrentes conditions de mise en uvre de coagulants

4.8.2 Suivi micro-organismes

Figure 14 : Elimination des Escherichia Coli le long de la filire de traitement de Maromme pour

diffrentes conditions de mise en uvre de coagulants

26

Figure 15 : Elimination des Entrocoques le long de la filire de traitement de Maromme pour

diffrentes conditions de mise en uvre de coagulants

Figure 16 : Elimination des Spores de germes sulfito-reducteurs le long de la filire de traitement

de Maromme pour diffrentes conditions de mise en uvre de coagulants

4.8.3 Demande et cintique de chlore sur leau filtre CAG Il a t men sur leau affine de lusine (sortie des filtres CAG) des essais en laboratoire de demande en chlore et cintique de disparition du chlore pour comparer leffet potentiel des polymres sur ces paramtres (augmentation potentielle de la demande en chlore en cas dexcs de polymre ou diminution de la demande en cas dune meilleure limination des MON dissoutes). Sur les figures 17 et 18 sont portes les figures de demandes en chlore effectues pour les eaux traites sans polymre et avec ajout de polymre A respectivement. Sur la figure 19 sont portes des cintiques de consommation de leau traite avec le Polymre A. Ces figures montrent quil ny a pas de diffrence notable entre les eaux traites avec ou sans polymre, par rapport la demande en chlore, trs faible dans tous les cas, et la cintique de consommation du chlore trs faible galement dans tous les cas. Les rsultats obtenus avec le Polymre B sont identiques ceux obtenus avec le Polymre A. Il serait intressant de comparer ces valeurs dans le cas de traitement de la ressource de qualit dgrade, ou le dosage de Polymre serait alors plus lev, et donc limpact potentiel sur ces paramtres plus important.

27

Figure 17 : Essais de demande en chlore sur eau traite sans polymre(essais diffrents temps

de contact entre 50 minutes et 24h30)

Figure 18 : Essais de demande en chlore sur eau traite avec polymre A (essais diffrents

temps de contact entre 16 minutes et 24h30)

Figure 19 : Cintique de consommation du chlore (essais diffrents taux de chloration exprime

en chlore rsiduel) sur eau traite avec Polymre A

28

4.8.4 Suivi Sous produit : NDMA Des analyses de sous produits amins (NDMA et autres sous-produits) ont t effectues par le laboratoire CERBIA, pour 3 campagnes menes dans des conditions de traitement diffrentes, avec polymre A ou B en 2004 ; une campagne a t renouvele en 2005 avec polymre A. Les analyses ont t effectues sur eau ozone, eau traite chlore en sortie dusine, et sur un point du rseau correspondant un temps de sjour important dau moins 24h. Les rsultats de ces campagnes sont ports dans le Tableau 9 et sur les figures 20 et 21 pour les campagnes faites avec ajout de Polymre A.

Tableau 9 : Rsultats des campagnes danalyse de sous produits (NDMA et autres composs) (sem 47) 19/11/2004 (sem 7) 21/02/2005 (sem 48) 26/11/2004

2ppm FeCl3 + 0,5ppm A 2ppm FeCl3 + 0,5ppm A 2ppm FeCl3 + 0,2ppm B

O3 Refoule Rseau O3 Refoule Rseau O3 Refoule Rseau

g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l NDMA N-Nitroso-dimthyl-amine < 0,015 0,1 0,05 < 0,015 < 0,015 < 0,015 < 0,015 < 0,015 < 0,015NMEA N-Nitroso-mthylthyl-amine < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02NDEA N-Nitroso-dithyl-amine < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02 < 0,02NDPA N-Nitroso-dipropyll-amine < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03NPIP N-Nitroso-pipridine-amine < 0,03 < 0,03 0,04 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03NPYR N-Nitroso-pyrolidine-amine < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05NMOR N-Nitroso-morpholine-amine < 0,06 0,31 0,24 < 0,06 0,51 0,47 < 0,06 0,12 0,12NDBA N-Nitroso-dibutyl-amine < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 0,12 0,08

Cases grises : valeurs au dessus de la limite de dtection Polymre A : (Polydadmac FL4820 PWG 20%) Polymre B : (EpiDMA FL3150 PWG 50%) Ces rsultats mettent en vidence des traces de NDMA , NPIP et NMOR pour les analyses effectues lors de la premire campagne (avec polymre A) ; lors de la 3me campagne avec ce polymres des traces de NMOR et NDBA ont t dtectes, mais pas de NDMA. Les analyses effectues lors de la campagne avec polymre B ont mis en vidences des traces de NMOR. Ces analyses montrent que les polymres cationiques peuvent mener la formation de sous produits amins au niveau de leau traite aprs chloration , un plus long contact en rseau naccrot pas la concentration , pour ces conditions de dosages testes : faible taux de polymre ajout mais excs relatif par rapport la faible demande en coagulant de la ressource de trs bonne qualit. Ces composs ne sont pas soumis norme sur leau potable ce jour en France ni dans dautres pays, mais les USA envisagent dtablir moyen terme, une valeur limite en eau potable pour la NDMA sur leau traite (entre 20 et 100 ng/l) du fait de la toxicit des ce compos. Ce risque associ lutilisation des polymres cationiques est ainsi non ngligeable est considrer dans les limites potentielles dusage de ces ractifs.

29

Figure 20 : Rsultats de la campagnes danalyse de sous produits (NDMA et autres composs

)sur eau ozone, eau traite chlore et eau du rseau du 19/11/04

Figure 21 : Rsultats de la campagnes danalyse de sous produits (NDMA et autres composs)

sur eau ozone, eau traite chlore et eau du rseau du 21/02/04

4.8.5 Bilan rejet Sur le site de Maromme, les eaux de lavages des filtres sont rejets en milieu naturel. Un bilan qualitatif et quantitatif des polluants (N, P, DBO5) des les eaux issues du lavage des filtres a t fait pour une priode correspondante un traitement de coagulation avec FeCl3 seul ou en combinaison avec PolyDADMAC ou EpiDMA . Les valeurs des paramtres mesurs lors des campagnes de prlvement de novembre 2004, fvrier et mars 2005 sont portes sur la Figure 22. La teneur en azote total (NTK) est plus leve pour les priodes de traitement avec polymres (ajout de ractifs base dammonium quaternaire), la teneur en DBO5 est constante quelque soit le traitement, les polymres sont ajouts en quantit trop faible pour que leur impact soit dtectable ce niveau. Lajout de polymre ne modifie pas la composition globale des rejets. Un autre bilan devra tre effectu pour les priodes de production avec une qualit dgrade de la ressource, pour voir limpact potentiel dun dosage plus lev en polymre sur les rejets. Sur la Figure 23 est porte lvolution de la teneur en MES des eaux issues du lavage dun filtre (filtre test N4) pour un traitement avec polymre. On observe la bonne efficacit du rinage puisquen moins de 3 min la turbidit et les MES sont limins. La dure du rinage est de 7 minutes. Les conditions de lavage des filtres ont t maintenues constant (conditions standard) pour un traitement avec ou sans polymre ; les mmes profils de turbidit/MES au cours du lavage sont observs pour un traitement avec ou sans polymre.

30

Figure 22 : Suivi des rejets lors du lavage des filtres pour diffrents traitements de coagulation

Figure 23 : Exemple de profil de turbidit et de MES effectu sur les eaux de lavages dun filtre

4.9 CONCLUSION Les essais mens en 2004 et 2005 sur le site de Maromme ont confirm lintrt des polymres cationiques sur la filtration mis en vidence par les essais pilote mens en 2001 sur ce mme site : ces ractifs, en alternative partielle au FeCl3, ont ainsi un intrt dans lallongement des cycle de filtration ; lintrt pressenti de ces polymres pour optimiser le traitement en priode pluvieuse (ressource de qualit dgrade avec pointes de turbidit > 10 NFU et matires organiques) na pu tre dmontr durant cette priode (qualit stable et bonne de la ressource). Un lger excs, para rapport la demande globale en coagulant, (0,2 ppm au lieu de 0,1 ppm) de polymre sur la ressource peu charge en particules et matires organiques peut entraner la formation de traces de NDMA sur eau traite aprs chloration finale.

31

5 Rsultats des essais mens en 2005 sur le site de Gamarde (coagulation sur filtres sable et CAG)

5.1 CONTEXTE La station de traitement deau potable de Gamarde St Mdart en Jalles (33) traite une eau brute issue de la nappe de loligocne dans les galeries captantes pour un dbit maximum de 700 m3/h. La turbidit de leau brute est en moyenne proche de 1 NFU, cest pourquoi la station possde un traitement de coagulation sur filtre permettant lobtention dune eau prsentant une turbidit infrieure 0.02 NFU. Cependant lors de fortes pluviomtries des valeurs de 30 NFU peuvent tre enregistres obligeant larrt de la station pour viter le dpassement des objectifs sur leau traite. Pour rpondre au principe de prcaution tabli dans le code de la sant publique soit, en priorit la matrise des risques sanitaires lis une contamination micro-biologique des eaux par Giardia et Cryptosporidium, il a t propos la modernisation de lusine de Gamarde avec la mise en place dune coagulation sur filtre Charbon Actif en Grain (CAG), en aval de la coagulation sur filtre sable existante. Les points critiques sont la matrise du risque biologique, la rduction de la matire organique vis--vis de la rduction du potentiel de formation de sous-produits doxydation et le traitement des pesticides. Le concept multi barrires avec la mise en uvre dun tage de filtration complmentaire sur CAG avec coagulation rpond aux besoins identifis.

5.2 OBJECTIFS Lobjet de ltude tait ainsi de tester, au niveau laboratoire, diffrentes combinaisons de traitement de coagulation sur filtre sable 1er tage et filtres CAG second tage, pour une qualit finale de leau traite optimale. Les tudes en laboratoire et pilote visent comparer les performances technico-conomiques de diffrents coagulants pour une mise en uvre en coagulation sur filtre premier ou deuxime tage : le WAC HB (sel daluminium pr-polymris), employ sur site avant les essais, le sulfate daluminium et plusieurs types de polymres organiques commercialiss par SNF Floerger et agrs pour leau potable depuis 2004. Ce type de traitement privilgie les polymres cationiques de masse molculaire moyenne, plutt que faible, pour limiter lencrassement du filtre. Dans chacun des deux gammes PolyDADMAC et EpiDMA, sont choisis deux types de polymres, diffrencis par leur masse molculaire, ainsi quun produit pr mlang de PolyAlChloride et polymre cationique. Les caractristiques principales de tous les produits sont rsumes dans le tableau 10.

32

Tableau 10 : Caractristiques des coagulants tests en coagulation sur filtre sur le site de Gamarde

% de matire active pH solution

Fournisseur Formulation Polymre coagulant minral

Sulfate d'aluminium Rhodia liquide 8,2 2-2,5 WACHB Orchidis liquide 8,6 2-2,5

FL 4540 SNF Floerger liquide 40 5-7 FL 4820 SNF Floerger liquide 20 5-7 PolyDADMAC

(cationique)

FLB 4550 SNF Floerger

liquide mlange FL 4540 + PAC18 (31%+69%) 12,4 12,4 0,5-2

FL 2949 SNF Floerger liquide 50 4-6 FL 3150 SNF Floerger liquide 50 4-6 EpiDMA

(cationique)

FLB 1750 SNF Floerger

liquide mlange FL 2949 +

PAC18 (26,5%+73,5%) 13,2 13,2 0,5-2 Polymre Asp 20

(anionique) Degremont Erpac liquide

100 neutre

Il est important dexpliciter et prciser la dnomination des polymres : les coagulants organiques sont de masse molculaire variable, ainsi les deux premiers chiffres de leur dnomination informent sur leur masse molculaire, plus ou moins grande selon le chiffre (ex : FL4540 de masse infrieure FL4820). Enfin les produits commerciaux de type FL contiennent une part de matire active dont le pourcentage correspond aux deux derniers chiffres (ex : FL4540 contient 40% de matires active). Pour les produits type FLB ces deux derniers chiffres indiquent la proportion des deux ractifs (organique et minral) du mlange (voir exemple plus bas). Le fournisseur SNF Floerger commercialise deux types de polymres cationiques : les ractifs base de polymre cationique ; ce sont les polymres de types FL (comme FLoerger) et les mlanges de polymre cationique et coagulant minral, de type FLB (comme Floerger Blend, i.e., mlangs). Ces mlanges contiennent, du PolyAlChloride (PAC) et un polymre cationique dont la masse molculaire se rapproche le plus dun polymre type FL de sa catgorie (Polyamine ou PolyDADMAC). Ainsi, pour exemple, le ractif FLB 4550 du tableau 1, est un mlange de FL 4540 et de PAC. La masse molculaire est moyenne (45), les ractifs du mlange sont en proportion gale (50 %). Etant donn que le FL 4540 est 40 % de matire active et le PAC 18 %, pour atteindre les mmes pourcentages, il faut 31 % de FL 4550 et 69 % de PAC. Ou encore, si x et y sont respectivement les pourcentages de coagulant organique et de PAC dans le mlange, on obtient les quations suivantes :

=

=+

yxyx

*18.0*4.0100

Do x = 0.31 et y = 0.69

33

5.3 DESCRIPTION DES ESSAIS LABORATOIRE

5.3.1 Filtration sur sable Les principaux paramtres de qualit de leau brute du site de Gamarde, utilise pour les essais en laboratoire en aot 2005, sont rpertoris dans le tableau 11. Les objectifs fixs en sortie de colonne de filtration sur sable sont : Turbidit < 0. 3 NFU et suivi de labattement de labsorbance UV.

Tableau 11 : Qualit de leau brute. Aot 2005

pH 7.4 Turbidit (NFU) 1.4 Absorbance (Do.m-1) 4.7 Temprature (C) 18

5.3.2 Filtration sur CAG Le tableau 12 rsume les principaux paramtres de qualit de leau filtre sable, de lusine de Gamarde, utilise pour les essais en laboratoire en aot 2005. Les objectifs fixs en sortie de colonne de filtration sur CAG sont : Turbidit < 0.1 NTU Absorbance < 1,5 DO.m-1 ( dfinir avec exploitant) et COT < 2 mg/l

Tableau 12 : Qualit de leau filtre sable, usine. Aot 2005

pH 7.4 Turbidit (NFU) 0.2 Absorbance (Do.m-1) 4.7 Temprature (C) 18 COT (mg/l) 2.3

5.3.3 Materiel et mthode Le mode opratoire de la coagulation sur filtre consiste tout dabord en linjection du coagulant avec agitation rapide pendant deux minutes. Si un floculant est galement rajout, linjection seffectue 1 minute aprs celle du coagulant. Les tapes de filtration sur sable et CAG sont ralises sur des colonnes de diamtre de 2.4 cm (S = 4.5 cm2), remplies sur une hauteur de 30 cm de matriau. Le mdia filtrant utilis est le mme que sur la station de Gamarde, savoir un sable de taille effective (TE) 0.95 mm et du CAG F300. La vitesse de filtration est de lordre de 5 m/h. Enfin, leau filtre est recueillie dans un Erlenmeyer de 250 ml aprs avoir limin les 250 premiers ml. Un rtrolavage leau du robinet est systmatiquement effectu entre deux filtrations pendant cinq minutes. Lobjectif de ltude est de comparer les performances de diffrents coagulants en premier et second tage de filtration. Nous garderons la logique de placer le mme ractif pour chacun des deux tages. Ainsi, les rsultats en absorbance et turbidit des combinaisons suivantes seront compars : le WAC HB, seul ou avec floculant ASP 20, le sulfate daluminium seul ou avec floculant ASP 20, le sulfate daluminium en combinaison avec

34

les polymres EpiDMA ou PolyDADMAC et les mlanges base de PolyAlChloride (PAC) et polymres cationiques (FLB).

5.4 RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : DETERMINATION DES DOSES OPTIMALES DE COAGULANTS EN FILTRATION SUR SABLE ET CAG

Lutilisation des polymres cationiques ncessite la connaissance des doses optimales en coagulant minral, dos seul en tant que ractif de rfrence. Ainsi, pour la filtration en sable, les doses dtermines pour le WAC HB et le sulfate daluminium sont respectivement de 6 et 5 ppm. Pour la suite des essais, seul le sulfate daluminium a t test puisquil permet dobtenir des performances proches en terme dabattement de turbidit et de matires organiques, et cot de ractif, moins lev que celui obtenu avec le WAC.

5.4.1 A.Test des Mlanges

5.4.1.1 Coagulation sur filtre sable

La figure 24 montre les performances des mlanges prpars de polymres cationiques et de PAC en filtration sur sable.

Figure 24 : Filtration sur sable-test des FLB

Conclusion :

Peu de diffrence entre les deux mlanges tests (FLB 1750 et FLB 4550). Peu deffet du dosage des 2 mlanges tests sur labattement de la turbidit et de labsorbance la dose optimale recommande est de 0.5 ppm de ractif FLB avec une lgre meilleure efficacit dabattement en turbidit et matires organiques pour le FLB4550 (PolyDADMAC+PACl).

5.4.1.2 Coagulation sur filtre CAG

La figure 25 montre les rsultats obtenus en filtration sur CAG avec les polymres mlangs.

35

Evolution de la turbidit et de l'absorbance aprs filtration sur CAG

en fonction de la dose de "mlange"

00,050,1

0,150,2

0,250,3

0,350,4

SA

seul

FLB

4550

; 1

FLB

4550

; 0,2

FLB

4550

; 0,1

FLB

4550

; 0,05

FLB

1750

: 1

FLB

1750

: 0,2

FLB

1750

: 0,1

FLB

1750

: 0,05

Turbidit (NTU)turbidit

absorbance

aluminiumdissous

Caractristiques de l'eau brute :PH = 7,5NTU = 0,33UV =4,8

Figure 25 : Filtration sur CAG-test FLB

Conclusion :

Peu de diffrence entre les deux mlanges tests (FLB 1750 et FLB 4550) sur labattement de la turbidit. En terme dabsorbance le FLB 4550 ( base de PolyDadmac) semble plus efficace que le FLB 1750 ( base dEpiDMA). la dose optimale recommande est ainsi de 0.1 ppm de ractif FLB avec une lgre meilleure efficacit dabattement en matires organiques pour le FLB4550 (PolyDADMAC+PACl). Un dosage plus faible, de lordre de 0,05 ppm pourrait tre galement test sur pilote.

5.5 RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : TESTS DES COMBINAISONS DE REACTIFS : COAGULANT CATIONIQUE + COAGULANT MINERAL

5.5.1 Choix des doses de ractifs testes

Filtre sable : dose optimale de SA = 5ppm. 50 % substitution, 1/10 remplacement, soit 2,5 ppm de SA et 0,25 ppm de polymre

cationique 75 % substitution, 1/10 de remplacement, soit 1,25 ppm de SA et 0,125 ppm de

polymre cationique. Filtre CAG : dose optimale de SA = 2,5 ppm. 50 % substitution, 1/10 remplacement, soit 1,25 ppm de SA et 0,125 ppm de

polymre cationique.

5.5.2 Coagulation sur filtre sable Une premire srie de filtration permet de tester plusieurs combinaisons afin dvaluer limpact des diffrents ractifs et des diffrentes doses (figure 26).

36

Performances des combinaisonspolymre/SA ( diffrentes doses)

filtration sur sable

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,40,45

SA

seul

FL

2949

=

0,25,

SA

=

2,5

ppm

FL

4540

=

0,125

, SA

=

2,5

FL

4540

=

0,125

, SA

=

1,25

Turbidit (NTU)

Aluminium dissous (mg/l)

44,14,24,34,44,54,64,74,84,9

absorbance (DO.m-1)

turbiditaluminiumabsorbance

Figure 26 : Filtration sur sable-test des combinaisons diffrentes doses

Conclusion :

Moins bon abattement de la turbidit pour le mlange base de ractifs SA et FL2949. En terme dabsorbance les diffrents mlanges sont plus performants que le SA seul. 75 % de substitution de SA donne des rsultats proches de ceux obtenus avec 50 % de substitution. les doses optimales recommandes pour le mlange de coagulants sont ainsi de : 1.25 ppm de SA et 0.125 ppm de ractif FL2949 ou FL 4540, avec une meilleure efficacit en abattement de turbidit pour le mlange SA et FL4540. Suite ce premier choix de la dose optimale : 1,25 ppm de SA + 0,125 ppm de polymre, des tests dans ces conditions de dosage ont t faits avec les diffrents polymres cationiques (figure 27).

Performances des combinaisons polymre/SA (pour 75% substitution)

filtration sur sable

00,05

0,10,15

0,20,25

0,3

SA

seul

FL

4540

=

0,125

, SA

=

1,25

FL

4820

=

0,125

, SA

=

1,25

FL

3150

=

0,125

, SA

=

1,25 p

pm

Turbidit (NTU)

Aluminium dissous (mg/l)

3,83,944,14,24,34,44,54,64,74,84,9

absorbance (DO.m-1)

turbiditaluminiumabsorbance

Figure 27 : Filtration sur sable-test des combinaisons 75 % de substitution

Conclusion :

La combinaison de 1,25 ppm SA + 0,125 polymre est plus performante en abattement de turbidit et matires organiques que le traitement avec 5 ppm de SA seul. Les mlanges base de PolyDADMAC sont lgrement plus performants que ceux base dEpiDMA. Le PolyDADMAC FL 4820 permet lobtention des mmes performances que les autres

37

polymres base de PolyDADMAC alors quil na que 20 % de MA. Cependant la combinaison base de FL 4820 produit un eau traite teneur leve en aluminium dissous (rglementation 0,2 mg/l).

5.5.3 Coagulation sur Filtres CAG Ces mmes doses : SA 1,25 ppm + 0,125 ppm de Polymre Cationique sont ensuite appliques en filtration second tage (figure 28).

Performances des mlanges polymre/SA

filtration sur CAG

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

SA

seul

FL

3150

FL

4820

Turbidit (NTU) absorbance

(DO.m-1)Aluminium

dissous (mg/l)turbiditabsorbancealuminium

Figure 28 : Filtration sur CAG - test des combinaisons

Conclusion :

Les combinaisons de coagulant base de 1,25 ppm SA + 0,125 polymre cationique sont plus performantes que le traitement avec coagulant dos 2,5 ppm de SA, essentiellement par rapport au paramtre matire organique, toutes les combinaisons permettant datteindre une valeur dabsorbance UV infrieure 0.15 DO.m-1.

5.6 RESULTATS : BILAN TECHNICO-ECONOMIQUE Au vu des rsultats laboratoire, performances gales ou trs proches, en abattement de turbidit et matire organique, le choix des mlanges base de PolyDADMAC pr-mlangs ou raliss sur place semble plus intressant que le WAC ou le sulfate daluminium avec floculant Asp20, si lon considre la fois le cot et les facilits de mise en uvre. Le tableau 13 regroupe ainsi les diffrentes combinaisons testes, avec dosages optimaux et cots associs des ractifs. Daprs les rsultats des essais mens en laboratoire et les estimations des cots de ractifs associs, les conditions recommandes pour les tests mener sur pilote sont ainsi les suivantes : Le ractif FLB 4550 (mlange base de PC et de PolyDADMAC) dose de 0.5 ppm

sur sable et 0.1 (ou 0.05) ppm sur CAG respectivement. La combinaison SA/FL4540 (PolyDADMAC) dose de 1.25/0.125 ppm sur sable et

CAG.

38

Tableau 13 : Bilan technico-conomique des essais laboratoire

Filtre sable (1er tage)

Filtre charbon (2me tage)

Qualit eau filtre

Prix total (/1000 m3)

WAC HB/ 6 WAC HB/ 2.5 1,95 SA/ 5 SA/ 2.5 0,8

Produit Prix (/kg)

SA/ 5 SA/ 2.5 SA 0.11 +Asp20/0,05 +Asp20/0,01

1,03

WAC HB 0.23 FL 4540 0.872 FL 4540 1.89

(Turb/MO) (NFU/DO.m-1)

Sable : 0,2/4 FL 3150 1.045

FL 4820 1.50 FL 4820 0. 963 FLB 4550 1.07

SA/2.5 +Polymre Cat

/0.25

SA / 1.25 +Polymre Cat

/ 0.125 FL 2949 1.26

FL 2949 1.72 FL 4540 0.738 FL 3150 1.72 FL 3150 0.696

FLB 1750 0.98 FL 4820 0.641 ASP 20 3.81

SA / 1.25 +Polymre Cat /

0.125

SA / 1.25 +Polymre Cat

/ 0.125 FL 2949 1.127

FLB 4550 0.642

Ractif/Dose (ppm)

Mlanges FLB / 0.5

Mlanges FLB / 0.1

Charbon : 0,15/0,1

FLF 1750 0.588 Les rsultats dabattement en turbidit et matires organiques au niveau des deux tapes de coagulation sur filtre, obtenus en essais batch devront tre valids par les essais mens sur pilote. Les essais sur pilote devraient galement fournir les donnes concernant la gestion des filtres (encrassement des filtres dans le temps, dure de cycle, perte en eau). Il est noter que tous les essais en laboratoire ont t mens sans ajustement du pH, et donc sans acidification de la ressource. Le pH sur eau traite est ainsi de lordre de 8, li en partie au stripping du CO2 durant les essais en laboratoire. Les concentrations en aluminium dissous sur eau traite sont, dans ces conditions, leves et proches de la valeur limite pour leau potable.

5.7 RESULTATS DES ESSAIS PILOTE Le pilote est aliment en eau brute, une premire colonne servant de pot de contact reoit le coagulant, tandis que le floculant est inject, via un piquage, en tte de colonne sable. Leau filtre est rcupre dans un bac de stockage, elle est ensuite pompe et additionne de coagulant pour tre envoye vers la colonne de charbon actif. Les trois colonnes ont un diamtre de 100 cm et une hauteur de 40 cm. La hauteur de matriau est respectivement de 1m et 1m10 pour le sable et le charbon. La vitesse de filtration sur colonne sable est de 4 m.h-1, afin de conserver les paramtres de filtration de la station de Gamarde. Les premiers essais pilote sont conduits en faisant varier coagulant et taux de la manire suivante (donnes dlivres par le personnel de Gamarde rsumes dans le tableau 14) : 1er Essai : WAC 4 g.m-3 sur sable + ASP 20 0,009 g.m-3 sur sable et sur CAG 2me Essai : WAC 6 g.m-3 sur sable + WAC 2 g.m-3 sur CAG 3me Essai : FLB 4550 PWG 0,5 g.m-3 sur sable + FLB 4550 PWG 0,1 g.m-3 sur CAG 4me Essai : FLB 1750 PWG 0,5 g.m-3 sur sable + FLB 1750 PWG 0,1 g.m-3 sur CAG

39

Tableau 14 : Rsultats de filtration sur pilote

Turbidit NTU

Fer mg.L-1

Aluminium mg.L-1

Absorbance UV m-1

COT mg.L-1

Essai EB

EFS

EF CAG

EB EFS EF CAG

EB EFS EF

CAG EB EFS EF CAG

EB EFS EF CAG

1 1,27 0,22 0,18 0,06 0,01 0 0 0 0,1 6,85 5,61 0,64 2,30 2,30

40

6 Rsultats mens en 2005 sur le site de Morsang (clarification par coagulation et dcantation)

6.1 ESSAIS LABORATOIRE

6.1.1 Planning des essais Les essais laboratoire ont t mens davril aot 2005, les caractristiques de leau brute (Seine) voluent et les conditions de traitement sur lusine changent tout au long de la priode. Les diffrentes sries de jar test effectues sont rpertories dans le tableau 15.

Tableau 15 : Planning des essais laboratoire (jar test) Taux en mg/l de produit

commercial Caractristiques EB traitement

usine traitement laboratoire

Date Turbidit

(NTU)

Abs (DO/m

) pH SA

Acide /floculant /charbon

SA Optimu

m polymre

Acide /floculant /charbon

Objectifs

25/04-02/05 25>x>15 5,6 8 60 9/0,12/7 40 combinaisons oui/non/non 19/05-20/05

41

des essais dautres taux de substitution entre 30 et 50% sont quasiment aussi performants. En effet, le taux est fix en tenant compte, non seulement des performances techniques des polymres mais galement des cots supplmentaires induits, que nous dvelopperons plus loin. En ce qui concerne le taux de remplacement, les rsultats montrent quun taux de remplacement de 10% est optimal. Pour ce choix, la diffrence est plus marque, puisque pour des taux de remplacements plus levs, comme 1/2.5 ou moins importants comme 1/20, la qualit de leau traite se trouve dgrade. Souvent dailleurs, la tendance semble montrer une turbidit dcroissante et une absorbance croissante pour un taux de remplacement croissant. Un excs de polymre est ainsi nfaste la qualit de leau coagule. Pour la plupart des rsultats aux concentrations en polymre avoisinant les doses optimales tablies, les performances du sulfate daluminium seul sont gales voire dpasses, notamment pour labattement de la matire organique. La figure 29 montre, pour une substitution 30% et trois taux de remplacement diffrents, les performances en turbidit et matire organique obtenues pour chacun des deux polymres compares aux valeurs obtenues pour le sulfate daluminium seul. Pour lEpiDMA et le PolyDADMAC, loptimum est obtenu pour un taux de remplacement de 10, si lon se fixe la fois de bons abattements en absorbance et en turbidit. Compars au sulfate daluminium employ seul, les rsultats sont meilleurs avec une combinaison de sulfate et polymre cationique.

00,5

11,5

22,5

33,5Turbidit (NTU) ou

absorbance (DO.m-1)

SA seul 5 10 15

Taux de remplacement (x dans 1/x)

performances des coagulants organiques et minraux (EB NTU>15) Turbidit EpiDMA

Absorbance EpiDMATurbidit PolyDADMACAbsorbance PolyDADMACSulfate seul turbidit (1)Sulfate seul absorbance (2)

Caractristiques de l'eau brute :TAC = 19,7pH = 7,9Turbidit = 15,6 NTUUV = 5,6 DO.m-1

1/2

Figure 29 : Comparaison des performances en turbidit et matire organique entre SA et mlange

sulfate/polymre 30% de substitution et diffrents taux de remplacement

En conclusion, sur lensemble des sries de jar test effectu, les combinaisons avec les polymres cationiques donnent de meilleurs rsultats en turbidit et absorbance que le sulfate daluminium seul. Le tableau 16 donne les abattements moyens supplmentaires des combinaisons 30% de substitution et 1/10 de remplacement, pour les trois sries principales.

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Tableau 16 : Abattement supplmentaire, en moyenne, des polymres cationiques compars au sulfate seul, pour 30% de substitution et 1/10 de remplacement

1re srie (NTU>15) 2me srie (NTU

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Figure 30 : Impact de la dose de charbon actif en poudre sur les performances des polymres

cationiques

Cette diminution de la dose de charbon est donc prendre en compte dans le bilan technico-conomique final. En effet, le CAP tant lun des ractif les plus chers pour cette tape de traitement, il est possible que le surcot apport par le prix des polymres cationiques puisse tre compens uniquement par cette diminution du taux de traitement.

Prchloration

En priode estivale, la prolifration alguale ncessite linjection dune dose de chlore avant le traitement, hauteur de 2 ppm pour la station de Morsang sur Seine. Ce traitement doit tre pris en compte dans lvaluation des performances des polymres cationiques. En effet, les fournisseurs des produits ne peuvent garantir les rsultats identiques avec et sans prchloration. Les polymres cationiques et notamment lEpiDMA, semblent, daprs la littrature, rsistants au chlore et peuvent donc tre employs dans leau pr-chlore sans activit rductrice. Cependant, aprs une srie de jar test effectue sur leau brute prchlore, sans ajout de charbon actif ni floculant, il savre que les rsultats en abattement dabsorbance et surtout de turbidit sont beaucoup moins bons que sans prchloration. De plus, selon les jar test, les rsultats danalyse sur leau traite sont fortement alatoires. Le tableau 17 fait le bilan des principaux rsultats.

Tableau 17 : Rsultats dabattement partir dune eau prchlore

Abattement (%) Diffrence abattement (%) Date SA (ppm) polymre (ppm) UV (%) turbidit UV (%) turbidit

22-mai 28 1,2 26 82 22-mai 40 0 15 81 11 1 01-aot 28 1,2 19 8 01-aot 40 0 1 19 18 -11 24-aot 28 1,2 94 86 24-aot 40 0 94 83 0 1 09-sept 28 1,2 28 81 09-sept 40 0 23 72 5 9

N.B. : les abattements sont calculs ici en fonction de leau brute prchlore, ce qui na pas dimpact sur les valeurs dabattement en turbidit, mais peut-tre sur les valeurs dabsorbance

Ces expriences sont refaire, en comparant labattement de leau dcante par rapport leau brute non chlore, afin de pouvoir comparer avec prcision les rsultats.

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Impact des polymres sur lajustement de pH

La coagulation au sulfate daluminium seul, ncessite de se placer pH 7-7.2, il est souvent indispensable de rajouter de lacide sulfurique pour maintenir ce pH. Si lon utilise une combinaison sulfate/polymre, le pH est dtermin principalement par le sulfate car les polymres cationiqu