Adoucissement Des Eaux

5/16/2018 Adoucissement Des Eaux

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CHAPITRE 13

ADOUCISSEMENTET DEMINERALISATION

ObjectifsL'adoucissement et la demineralisation de l'eau visent essentiellement:

1) a eliminer partiellement ou totalement les sels de calcium et de magnesium(responsables de la durete de l'eau) par des traitements qui evitent l'entar-trage des chaudieres, des chauffe-eau ou des installations industrielles etdiminuent la quantite de savon requise pour former une mousse persistantedans les installations domestiques, les blanchisseries, les industries textiles,etc.; 2) a debarrasser de leurs sels mineraux les eaux saumatres, salees oumarines, dans les regions ou les ressources en eau douce sont limitees et ouil reviendrait si cher d'amener l'eau sous canalisation a partir de pointseloignes qu'un traitement desalinisant est plus rentable.

L'expansion demographique constante et la croissance industrielle epui-sent considerablement les res sources en eau douce; aussi de vastes recherchessont-elles en cours pour mettre au point des precedes de demineralisationsimples et economiques ; a cet egard, la situation actuelle correspond a uneperiode de developpement et devrait par consequent s'ameliorer,

Substances minerales des eaux naturellesLes substances minerales en solution dans les eaux naturelles sont des

facteurs de durete ou d'alcalinite, alors que les eaux salees sont caracteriseespar la presence de sels neutres. Le tableau 18 enumere Ies substances mine-rales alcalines, neutres ou acides les plus communes dans les eaux naturelles.Les composes alcalins se divisent en deux groupes: ceux qui sont uniquementdes facteurs d'alcalinite et ceux qui engendrent a la fois l'alcalinite et ladurete. De meme, les seis neutres sont repartis en deux categories: ceux quiproduisent la salinite et Ia durete non carbonatee et ceux qui sont uniquementdes facteurs de salinite. A I'exception de quelques rares eaux minerales, la

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244 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXTABLEAU 18

PRINCIPALES SUBSTANCES MINERALES DES EAUX NATURELLES

Composes alcalins Composes alcalins neutresengendrant une: engendrant une:alcallnlte

I IAcides

sodique et durete durete non sallnltepotassique carbonatee carbonatee seule

Bicarbonate Bicarbonate Sulfate de Sulfate de On ne trouvede potassium de calcium calcium potassium d'acides mlneraux(KHCQ,) [Ca(HCO,),] (gypse) (K,SO,) et de sels acides(CaSO,) que dans les eauxrestdualres acidesdes industriesmlnleres et danscertaines eauxrnlnerales raresCarbonate de Carbonate Chlorure Chlorurepotassium de calcium de calcium de potassium(K,CQ,) (CaCO,) (CaCb) (KCI)Bicarbonate Bicarbonate Sulfate de Nitrate dede sodium de magnesium magnesium potassium(NaHCO,) [Mg(HCO,),] (MgSO,) (KNQ,)Carbonate Carbonate Chlorure de Sulfate Sulfate de fer{ll)de sodium de magnesium magnesium de sodium (FeSO.)(Na,CO,) (MgC03) (Na,SO,)

Chlorure desodium (sel)(NaC!)Nitrate desodium(NaN03)

D'apres Cox (1952), p. 204, grace it I 'obligeance du New York State Department of Health.

plupart des eaux ne contiennent pas d'acides mineraux, sauf lorsqu'elles sontpolluees par des dechets industriels acides. Le chauffage d'une eau chargee enhydrogenocarbonates (bicarbonates) de calcium et de magnesium chasse legaz carbonique et precipite des carbonates, eliminant ainsi Ies substancesminerales generatrices de durete; aussi la durete carbonatee est-elle parfoisappelee durete temporaire . Par opposition, la durete autre que carbonatee,due aux sulfates et aux chlorures de calcium et de magnesium qui ne preci-pitent pas, est dite durete permanente ,

Les substances minerales alcalines presentes dans Ies eaux naturelles sontdes carbonates ou des bicarbonates. De plus, il faut considerer une troisiemesorte d'alcalinite dans Ie cas des eaux traitees: I'alcalinite caustique ouhydroxyde, due au traitement par la chaux. Le rapport entre ces trois typesd'alcalinite et l'echelle de pH est decrit dans Ie supplement au presentouvrage et represente sur la figure 18 (p. 338). La determination de l'alcalinitea l'aide de deux indicateurs, la phenolphthaleine et le methylorange, ren-seigne sur Ia nature des substances minerales alcalines presentes dans l'eau(voir p. 335).


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ADOUCISSEMENT IT DEMINERALISATION 245Les autres substances minerales presentes dans les eaux naturelles n'ont

guere d'importance du point de vue du traitement des eaux, bien que cer-taines d'entre elles, comme l'arsenic et Ie selenium, puissent intluer sur laqualite de I'eau,

Le degre souhaitable de durete des eaux de distribution depend desconsommateurs. Ceux qui sont habitues a des eaux tres douces considerentqu'une durete de 100 parties par million (ppm)! est elevee tandis que ceuxqui utilisent couramment des eaux dures trouvent cette valeur acceptable. Or,l'eau devient corrosive au-dessous de 30 a 50 ppm et il ri'est generalementpas juge rentable d'adoucir une eau dont la durete ne depasse pas 150 ppm.Par consequent, les traitements d'adoucissement sont en principe reservesaux eaux de distribution de durete superieure a 150 ppm et on s'efforce deramener celle-ci a 80 ppm environ.

Aux Etats-Unis, on considere comme:douces: les eaux de durete inferieure a 50 ppm,moderement dures: les eaux de durete comprise entre 50 et 150 ppm,dures: les eaux de durete comprise entre 150 et 300 ppm,tres dures: les eaux de durete superieure a 300 ppm.

Avantages des eaux doneesEn ce qui concerne les usages menagers, l'eau douce permet de realiser

des economies appreciables de consommation de savon et d'accroitre le pou-voir dissolvant de celui-ci. Mais la multiplication des nouveaux produits deter-gents reduit l'importance des economies realisees grace a l'adoucissement,car certains d'entre eux agissent en eau dure. Le tableau 19 donne une ideedes economies resultant des precedes d'adoucissement, lorsqu'on prefere Iesavon aux nouveaux detergents.

II est plus difficile de calculer les economies realisees en combustibles ouen frais d'entretien grace a l'emploi d'une eau douce, dans Ie cas deschaudieres, chauffe-eau, etc., mais ces economies sont appreciables puisqueles exploitants prives adoucissent generalement les eaux d'alimentation deleurs chaudieres et les eaux a l'usage industriel.

Precedes de demineralisationLes fonctionnaires du service des eaux ne s'occupent en general que de

l'adoucissement mais, pour les raisons mentionnees plus haut, il convientd'adopter un point de vue plus large et d'etudier tous les precedes d'adoucis-sement et de demineralisation des eaux, tant anciens que modernes, notam-ment:

1 Dans les ouvrages en francais traitant d'hydrotimetrle et d'alcalimetrie, p. designe souvent Ia phenol-phtaleine et m. Ie methylorartge. Afin d'evirer des confusions, l'expression par tie s par million a done ereabregee SOllS la forme ppm plutot que p. p. m. .


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246 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXTABLEAU 19

QUANTITE ET COOT DU SA VON COMMERCIAL ECONOMISEGRACE A L'ADOUCISSEMENT

CoGt du savonQuantite de savon economiseDurete de Durete de economisee annuellement annuellementI'eau brute, I'eau adoucie, par famille de 5 personnes par famille deen ppm en ppm 5 personnesIb I kg I US $

200 85 50 22,7 8300 85 94 42,6 15400 85 138 62,6 22500 85 182 82,6 29

On admet que: Ie coGt du savon est de $ 0,16jlb ($ 0,35/kg), la quant ite d'eau uti lisee avec Iesavon de 1,2 gal (4,5 I) par personne et par jour, la consommation supplernentaire de savon neces-saire quand I 'eau n'est pas douce de 0,2 Ibj l000 gal soi t environ 20 g/m3 par ppm de durste,D'apres l'American Water Works Association (1950), p. 312, avec I'autorisation de cette

association.

1) le traitement par Ia chaux et le carbonate de soude, permettant de pre-cipiter la majeure partie des sels de calcium et de magnesium et de reduireI'alcalini te ;

2) l' adoucissement et la demineralisation par echange d'ions :a) adoucissement selon lequel les ions calcium et magnesium sontremplaces par des ions sodium, les composes sodiques formes restenten solution dans l'eau;b) demineralisation au cours de laquelle les cations (bases) et lesanions sont elimines (c'est-a-dire aussi bien les carbonates, les chlo-rures et les sulfates que le calcium et Ie magnesium), de maniere itdonner une eau veritablement demineralisee ou de teneur mineralemoderee qui I'empeche de devenir corrosive;

3) l' electrodialyse, pro cede consistant it soumettre l'eau it traiter it unchamp electrique qui permet aux cations et aux anions de migrer it travers desmembranes appropriees, laissant l'eau demineralisee s'accumuler dans descuves convenables ;

4) la distillation, par laquelle I'evaporation d'eaux saumatres ou d'eau demer donne de l'eau distillee ou demineralisee ; on utilise notamment it cettefin la chaleur solaire.

5) la congelation, qui permet de separer de la saumure refroidie les cris-taux de glace formee d'eau douce.

Nous n'etudierons ici en detail que les deux premiers precedes: l'electro-dialyse, la distillation et la congelation seront decrites brievement,


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ADOUCISSEMENT ET DE~nNtRALISATION 247Adoucissement par Ia chaux et Ie carbonate de soude

PrincipesCe precede d'adoucissement repose sur l'emploi de la chaux et du carbo-

nate de soudc, qui transforment les sels de calcium et de magnesium solublesen composes presque insolubles qui seront elimines par floculation, decan-tation et filtration, cornme dans les operations de coagulation classiques.

Les reactions qui ont lieu sont indiquees ci-dessous, mais en fait ellesdependent, dans la pratique, de la temperature et du pH de l'eau ainsi quede rapports physicochimiques complexes. Sont soulignes les composes quiprecipitent,

CO2 -:- Ca(OH)2 -+CaC03 + H20 (1)Ca(HC03)2 + Ca(OH)2 -+2CaC03 + 2H20 (2)Mg(HC03)2 _J_ Ca(OH)2 -+CaC03 + MgC03 . 2H20 (3)MgC03 + Ca(OH)2 -+Mg(OH)2 --;-CaC03 (4)--- ---MgSQ,\ - + - Ca(OH)2 -+Mg(OH)2 + CaSO~ (5)CaS04 + Na2C03 -+CaC03 + Na2S04 (6)

A noter que: a) le gaz carbonique n'est pas un facteur de durete maisest absorbe par la chaux, ce qui modifie la dose de chaux en consequence;b) le carbonate de magnesie provenant de la reaction (3) n'etant pas assezinsoluble pour etre completement elimine, il faut employer un exces dechaux pour precipiter de l'hydrate de magnesium (reaction (4)); c) le sulfatede calcium provenant de la reaction (5) est soluble et doit done etre trans-forme en carbonate de calcium par la reaction (6); d) Ie sulfate de calciumde l'eau brute est egalement elimine par la reaction (6) d'ou la necessite d'uti-liser du carbonate de soude: e) les chlorures de calcium et de magnesiumsolubles precipitent egalement sous l'action du carbonate de soude, selondes reactions analogues a celle qui est indiquee en (6).Le carbonate de calcium n'est theoriquement soluble que jusqu'a 17 ppma un pH de 9,4. Cela ne veut pas dire que le traitement par la chaux et lecarbonate de soude permette de precipiter tout Ie carbonate de calciumexcedant 17 ppm; en pratique on peut arriver a une durete carbonatee de35 ppm. L'adoucissement se fait selon l'un des quatre precedes suivants:1. Traitement par un exces de chaux

On ajoute de la chaux en exces (10 a 50 ppm), de maniere a obtenir unpH de 10,6 pour precipiter Ie magnesium et le calcium. On ajoute ensuitedu carbonate de soude pour transformer l'exces de chaux en soude et carbo-nate de calcium. Comme la soude (alcalinite caustique) est indesirable, ilvaut mieux appliquer Ie traitement fractionne (voir ci-dessous) a moins de


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248 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXfaire une recarbonatation qui supprime l'alcalinite caustique et ramene IepH a 8.2. Traitement fractionne

On separe l'eau brute en deux fractions inegales, on applique le traite-ment par exces de chaux a la plus importante et on melange ensuite a la frac-tion restante. Le gaz carbonique et les bicarbonates de celle-ci reagissent avecl'exces de chaux et precipitent le calcium a pH 9,4 dans un bassin secondaire.3. Traitement par un exces de chaux suivi d'une recarbonatation

C'est un pro cede plus complet que les precedents qui consiste a traiterjusqu'a pH 10,6 la chaux apres fioculation et decantation et a precipiter Iemagnesium. L'eau est ensuite recarbonatee par addition de CO2 jusqu'a pH9,4 de maniere a precipiter le carbonate de calcium dans le bassin secondaire,puis on ajoute du carbonate de soude pour precipiter la durete non carbo-natee. Finalement, on ajoute du gaz carbonique a l'eau decantee pour rame-ner le pH a 8,7 environ, transformant ainsi Ie carbonate de calcium residuel enbicarbonate soluble, ce qui evite une precipitation ulterieure dans Ie filtrea sable (resultat qui peut egalement etre obtenu par addition d'hexameta-phosphate de sodium a l'eau decantee).4. Remplacement du carbonate de soude par un echangeur de bases

Dans les regions ou le sel est bon marche, il est plus economique d'eli-miner la durete non carbonatee par echangeurs de bases que par additionde carbonate de soude. Ce pro cede consiste a utiliser suffisamment de chauxpour abaisser la durete carbonatee a une valeur aussi faible que possible,puis a recarbonatcr ct a filtrer; on fait ensuite passer une partie de l'eaufiltree dans les echangeurs de bases et on obtient la qualite d'eau desiree enmelangeant, a l'eau adoucie par la chaux et filtree, l'eau resultant de l'echangede bases.Coagulation

L'adoucissement par la chaux et le carbonate de soude est facilite parl'emploi de sulfate d'alumine, de sulfate ferrique, de sulfate ferreux, d'alu-minate sodique ou de silice activee, qui contribuent a la coagulation desfins cristaux resultant des reactions d'adoucissement, II pourrait paraitreillogique d'utiliser du sulfate d'alumine a un pH aussi eleve, mais il s'agitd'obtenir de l'aluminate de magnesium (et non de l'hydroxyde d'aluminium)afin de mieux precipiter le magnesium. La coagulation peut s'imposer, soitpour traiter des eaux troubles, soit pour favoriser la precipitation.


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ADOUCISSEMENT ET DEMINERALISATION 249Variantes du precede d'adoucissement par fa chaux et le carbonate de soude

Les observations precedentes se rapportent aux traitements d'adoucis-sement visant a eliminer, outre la durete carbonatee et non carbonatee, lecalcium et le magnesium. Toutefois, lorsque l'eau ne contient que du bicar-bonate de calcium, il suffit de la traiter a la chaux jusqu'a un pH optimal de9,4. On peut egalement supprimer l'emploi du carbonate de soude lorsqu'onest uniquement en presence de bicarbonates de calcium et de magnesium,mais il faut alors traiter par un exces de chaux jusqu'a un pH de 10,6 eteliminer le magnesium. En d'autres termes, comme le montrent les reactions(5) et (6), Ie carbonate de soude est uniquement necessaire pour eliminer ladurete non carbonatee, c'est-a-dire lorsque le nombre d'equivalents decations calcium et magnesium depasse le nombre d'anions alcalins.Technique de l'adoucissement par Ia chaux et Ie carbonate de sonde

Les installations d'adoucissement concues pour realiser les reactionsindiquees ci-dessus sont en principe analogues aux installations habituellesde filtration, mais il faut tenir compte, pour la manipulation, Ie stockage etl'application des reactifs, des tres grandes quantites necessaires, La flocula-tion doit etre prolongee. II est justifie de disposer d'appareils pour l'evacua-tion mecanique des boues. Le passage de l'eau dans des bassins a circulationdu bas vers Ie haut arneliore le contact avec les boues et facilite l'adoucis-sement.Reactifs

On utilise la chaux vive ou eteinte, selon la disponibilite et le cout desdeux produits, et compte tenu de la facilite relative d'emploi de la chauxhydratee, La chaux vive est generalement moins chere, mais il faut l'eteindre.II etait autrefois difficile d'evaluer Ie volume exact d'eau a ajouter pour obte-nir la temperature elevee souhaitee sans risquer de dessecher ou d'agglutinerla chaux que ron hydratait. On utilise aujourd'hui la chaux vive en roche,plus facile a eteindre, et on a mis au point des appareils modernes de prepara-tion continue, qui permettent de regler Ie debit de l'eau de maniere a obtenirune temperature comprise entre 66 et rrc: Si e1le est pulverisee, la chauxvive peut etre distribuee a sec au moyen de doseurs du type classique, ledebit de l'eau etant controle et un brassage rapide assure dans le bac de pre-paration. La chaux en suspension doit etre injectee sous une pression assezforte dans la canalisation pour empecher tout depot. Les conduites peuventse boucher si leur diametre est trop etroit, ou favoriser la sedimentation s'ilest trop large. Toute la tuyauterie do i t etre raccordee a un systeme d'eausous pression permettant Ie nettoyage par chasse d'eau. La meilleure methodeconsiste a deverser le lait de chaux dans des chariots decouverts qui vont levider au-dessus du courant de l'eau a traiter.


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250 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXLe carbonate de soude peut etre introduit en meme temps que la chaux

ou separement. Comme il est tres soluble, on peut Ie doser en solution; enpratique, on prepare une solution a 30 % avec de l'eau a 30_40C ou unesolution a 8 % avec de l'eau a 10_15C. 11est generalement plus commoded'utiliser des doseurs de produit sec.Floculation

Le cout des reactifs et les reactions critiques qui se produisent pendantl'adoucissement justifient l'emploi d'installations de floculation importantes,avec des durees de retention allant de 30 a 60 min. II y a interet a utiliser desfloculateurs mecaniques, La floculation est favorisee par la reintroductiondans l'eau brute d'un pourcentage des boues decantees, lorsque l'evacuationdes boues est continue. Seule l'experience permet de determiner la quantitede boues de retour a reintroduire dans l'eau brute.Coagulation

Le sulfate d'alumine peut etre utilise aux valeurs elevees du pH obtenuesdans l'adoucissement par la chaux et Ie carbonate de soude, car il y a la for-mation d'aluminates. On emploie egalement le sulfate ferrique, Ie sulfate fer-reux, l'aluminate de soude ou la silice activee pour ameliorer la formation dufloc. L'aluminate de soude convient mieux aux petites installations, mais Iasilice activee parait etre Ie meilleur agent coagulant dans le cas de l'adoucis-sement, puisque des doses de 2 ppm sont suffisantes. Cela est surtout vrailorsque l'eau froide est adoucie dans des decanteurs a circulation de boues.

Les operations de controle sont les memes que pour les methodes decoagulation habituelles. II faut augmenter la dose de chaux lorsqu'onemploie du sulfate d'alumine, du sulfate ferrique ou du sulfate ferreux, afin deneutraliser I'acidite de ces coagulants. Etant donne que Ie sulfate de calciumobtenu durcit l'eau, on peut ajouter aux coagulants du carbonate de soudeau lieu de chaux, afin d'assurer la coagulation sans augmenter la durete,Decantation

Le temps de retention dans les bassins de decantation doit etre de 4 a 6 h,pour favoriser la precipitation et la sedimentation. Les grands decanteurssont souvent munis de rateaux mecaniqucs permettant I'evacuation continuedes boues.

Bien que les decanteurs a recirculation de boues conviennent bien pourl'adoucissement par la chaux et Ie carbonate de soude, la vitesse ascension-nelle de l'eau est telle qu'il est souvent necessaire d'accelerer la floculationet de prevoir une coagulation auxiliaire, ce qui complique les operations etexige un controle tres soigneux. Ainsi, lorsqu'il n'cst pas possible d'assurerun controle technique a plein temps, il est preferable d'utiliser des grandsdecanteurs de ce type ou la vitesse d'ecoulement n'excede pas 24 m/h.


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ADOUCISSEMENT ET DEMlNERALISA TION 251Recarbonatation

La recarbonatation consiste a ajouter du gaz carboni que a l'eau, pourabaisser Ie pH et dissoudre les cristaux de carbonate de calcium qui n'ontpas precipite. On obtient le gaz carbonique par combustion de coke, decharbon, de gaz ou de mazout dans des appareils appropries, les produits decombustion etant nettoyes et seches chaque fois que cela est necessaire poureliminer les goudrons et les composes sulfures. Les gaz issus des appareils decombustion contiennent environ 12% de gaz carbonique. Le poids de gaz car-bonique libere est d'environ 3 kg/kg de coke, de 1,3 kg/rn" de gaz de ville, deI,8kgjm3 de gaz naturel et de 2,4 kgjl de kerosene. II existe actuellement desmcdeles plus perfectionnes de brfileurs sous pression, dans lesquels on injectede l'air comprime pour bruler integralement Ie coke ou le charbon et pro-duire un gaz non corrosif qu'il est inutile de laver; ainsi se trouve resolu leproblerne de la corrosion resultant de l'utilisation de gaz carbonique humide.On dispose aussi maintenant de brtileurs immerges qui evitent I'emploid'appareils d'acheminement et de purification des gaz.

Le gaz est comprime et injecte a l'interieur d'un diffuseur ou d'un tubeperfore immerge dans l'eau a traiter, comme dans Ie cas de l'aeration parair diffuse. Un tube de 2,5 a 3 mm de diametre, perce d'ouvertures to us les15 em et dont la partie non immergee a 3 m de long, constitue un appareil-Iage suffisant et facile d'entretien. Les temps de retention dans Ies bassins derecarbonatation sont de 15 a 30 min. Ces bassins sont generalement placesentre les decanteurs et les filtres ou entre deux decanteurs fonctionnant enserie avant la filtration.

Comme il a ete dit plus haut, le traiternent de Ia chaux en exces impliquel'emploi de carbonate de soude, qui reagit avec l'exces de chaux hydratee pourdonner de la soude et precipiter le carbonate de calcium. La recarbonatationapres filtration de l'eau ainsi traitee permet de reduire I'alcalinite caustiqueet d'obtenir du bicarbonate de sodium: on peut egalement appliquer le trai-tement fractionne qui consiste a melanger I'eau brute et l'eau traitee par unexces de chaux, en vue de neutraliser l'alcalinite caustique par l'action dugaz carbonique et des bicarbonates naturels de l'eau brute. Toutefois, larecarbonatation en deux temps est le meilleur moyen d'obtenir une eauadoucie n'incrustant pas les filtres a sable, car il y a alors equilibre ducarbonate de calcium qui ne peut ni se deposer ni se dissoudre dans l'eaudecantee, Ce troisieme pro cede dadoucissement est decrit plus en detailci-apres.

On tend actuellement a rernplacer la recarbonatation par la stabilisationa l'acide sulfurique qui aux carbonates en exces substitue des sulfates solubles.Epuration par l'hexametaphosphate de sodium

Lorsqu'on ne possede pas l'appareillage necessaire ala recarbonatation,on peut empecher Ie carbonate de calcium residuel et Ies cristaux d'hydroxyde


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252 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXde magnesium presents dans l'eau decantee de precipiter sur le filtre asable ou dans les canalisations d'eau par adjonction d'hexametaphosphatede sodium. Ce reactif est l'oppose d'un agent coagulant, puisqu'il disperseles colloldes qui restent ainsi en suspension. II suffit d'utiliser des dosescomprises entre 0,25 et 1,00 ppm; une fois determinee, la dose qui convientle mieux a une eau donnee n'a plus a etre modifiee.Filtration

On utilise des filtres a sable rapides du type classique. La taille effectivedes grains de sable doit etre de 0,5 mm environ.Chloration

Lorsqu'on introduit du chIore dans l'eau adoucie, il faut tenir compte deseffets nuisibles du pH eleve; pour Ie reste, la chloration s'effectue selon lamethode habituelle.

Evacuation des bouesLes grandes quantites de boues produites lors du traitement par la chaux

et le carbonate de soude (2 ppm pour chaque ppm de durete eliminee) posentdes problemes d'evacuation, Si les lieux s'y preterit, on peut decharger laboue des etangs O U elle sedimente ; seul l'exces d'eau s'ecoule alors versIe cours d'eau. Lorsque l'evacuation des boues se fait par circulation con-tinue, on en reintroduit une partie dans l'eau brute pour faciliter l'adoucisse-ment par contact liquide-solide, et Ie reste est deverse en continu dans lecours d'eau recepteur, Si l'evacuation periodique s'impose, il faut deverserles boues en periode de debit maximal du cours d'eau et en un temps aussilong que possible pour assurer une dilution optimale et ne pas risqucr detuer les poissons par une alcalinite trop elevee. Dans les grandes usines, onpeut recuperer la chaux des boues a l'aide de brfileurs et d'installationsconnexes.Fonctionnement des installations d'adoucissement par Ia chauxet Ie carbonate de soude

Les precedes et les appareillages mis en oeuvre sont si complexes qu'ilfaut faire appel a un personnel qualifie, disposant de services de laboratoire,pour assurer un traitement efficace. Celui-ci n'est done pas a conseiller pourl'adoucissement de petites quantites d'eau; ce sont les conditions locales quideterminent les possibilites d'application du precede.Les facteurs indiques ci-dessous correspondent it certains aspects dufonctionnement qui ne se rencontrent pas dans les installations de filtration


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ADOUCISSEMENT ET DEMINERALISATION 253habituelles; ils sont destines a completer les operations normales de dosagedes reactifs, de ftoculation, de decantation et de filtration.Doses de reactifs

On calcule les doses de chaux hydratee et de chaux vive necessaires pourclimincr le gaz earbonique libre, I'alcalinite bicarbonatee et le magnesium, al'aide des coefficients du tableau 20. Si l'on sait que le degre de purete de lachaux eteinte ou de la chaux vive utilisees differe des valeurs indiqueesdans ce tableau (95 j; ' et 88 ~;,;),l convient de corriger les differents coefficientspar la formule suivante:

Coefficient du tableauD 'd " 1=Coefficient applicable au type de chaux utilise.egre e purete ree

Par exemple si l'on emploie de la chaux eteinte a 90 % , Ie coefficient a appli-quer pour calculer la dose destinee a eliminer le magnesium devient3,20 : 0,90 =3,55. II faudra done ajouter davantage de chaux.

Voici un exemple d'utilisation du tableau 20: Soit une eau brute dont lateneur en magnesium est de 40 ppm et qu'il s'agit de ramener a 3 ppm;l'elimination des 37 ppm en exces necessitera 37,0 x 3,20 =118,4 ppm dechaux eteinte a 95 % .

TABLEAU 20COEFFICIENTS APPLICABLES AU CALCUL DES DOSES DE CHAUX ETEINTE ETDE CHAUX VIVE NECESSAIRES POUR ELIMINER 1 PPM DE GAZ CARBONIQUE,

D'ALCALINITE BICARBONATEE OU DE MAGNESIUM

Substance a eliminer I Chaux hydratee I Chaux vivea95 % a 88 %Gaz carbonique libre (CO,) 1,77 I 1,44Alcallnlte bicarbo natee, en CaCO, 0,78 0,64Magnesium, en Mg 3,20 2,61

On trouve dans Ie commerce du carbonate de soude a 100 % . On appli-que un coefficient de 1,06 pour calculer la dose de carbonate de soude neces-saire a I'elimination de la durete non carbonatee. La formule de reduction dela durete non carbonatee s'ecrit: reduction souhaitee en ppm x 1,06 =uan-tite de carbonate de soude necessaire (en ppm). Par exemple, si l'on veutreduire la durete non carbonatee de 50 a 35 ppm, c'est-a-dire de 15 ppm, ilfaut 15 x 1,06 =15,9 ppm de carbonate de soude.

La dose de gaz carbonique necessaire pour transformer 1 ppm de car-bonate de calcium en bicarbonate de calcium et 1ppm d'hydroxyde de magne-sium en bicarbonate de magnesium se calcule au moyen du meme coefficient,


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254 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXpuisque I'alcalinite est toujours exprimeeen fonction du carbonate de cal-cium, y compris l'alcalinite due aux hydroxydes. II faut toutefois Ie majorerde 25 % , car l'exces de gaz carbonique doit etre neutralise. Le coefficientainsi corrige est de 0,55, ce qui signifie que la dose de gaz carboni que do itetre egale a 0,55 fois la reduction souhaitee de I'alcalinite carbonatee ou dueaux hydroxydes.

La maniere d'utiliser les differents coefficients ressort du tableau 21. On sup-pose que Ie precede applique est l'adoucissement par la chaux et la soudeet que la teneur en gaz carbonique et en magnesium, Ie pH, l'alcalinite bicar-bonatee et la durete non carbonatee de l'eau brute ont Me determines pardes essais en laboratoire, qui ont donne les resultats indiques dans la pre-miere colonne. Les composants de l'eau qui doivent etre reduits par lesreactions d'adoucissement et qui presentent done une importance pour Iecalcul des doses de reactifs sont ceux figurant en italiques dans Ie tableau: lareduction de l'alcalinite bicarbonatee et de la teneur en gaz carbonique et enmagnesium regit la dose de chaux a employer; la reduction de la durete non

TABLEAU 21RESULTATS HYPOTHETIQUES DE L'ANALYSE D'UNE EAU EN COURS DE TRAITEMENT(en ppm)

Apri ls t rai tement parla chaux et Ie carbonate Aprils recarbonatationde soude mais et fItratio nEau avant recarbonatationComposants a brute Oualite I Changement I Qualite I Changementdeslree de concen- deslree de concen-de I'eau tration du de I'eau it trat ion dudecantee composant la sortie composant

Gaz carbonique 25,0 0 - 25,0 0 0pH 7,5 10,6 + 3,1 8,8 -1,8Alcallntte deterrnlneepar la phenol-phthalelne 0 57,5 + 57,5 15,0 -42,5Alcalinite determinespar Ie methyloranae 250,0 75,0 -175,0 35,0 -40,0Atcettntte bicarbonalee b 250,0 0 -250,0 5,0 + 5,0Alcalinlte carbonatee b 0 35,0 + 35,0 30,0 - 5,0Alcal ini te due auxhydroxydes b 0 40,0 + 40,0 0 -40,0Dureie non cerboneiee C 50,0 35,0 - 15,0 35,0 0Durete totale 300,0 110,0 -190,0 70,0 -40,0Magnesium, en Mg 40,0 3,0 .,.- 37,0 3,0 0

aLes composants it redulre sont lndlques en italiques.b Pour la determination de I'alcalinite, voir Ie supplement (p. 335).C Durete non carbonatee = Durete totale - Alcallnlte deterrnlnee par Ie methylorange.


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ADOUCISSEMEKT ET DEMINERALISATION 255TABLEAU 22

CALCUL DES DOSES DE CHAUX ETEINTE ET DE CARBONATE DE SOUDE NECESSAIRES,D'APRES LES RESULTATS HYPOTHETIQUES DU TABLEAU 21

Reduction de I Coefficient Iomposant la concentra- Dose de reactlf, en ppmtion, en ppmGaz carbonique 25 1,77 Chaux eteinte, 44Alcalinlte bicarbonatee 250 0,78 Chaux eteinte, 195Magnesium, en Mg 37 3,20 Chaux ctelnte, 118Durete non carbonatee I 15 1,06 Carbonate de soude, 16I

Total de la dose de chaux nydratee = 357 ppmDose de carbonate de soude = 16 ppm

carbonatee regit la dose de carbonate de soude a appliquer. Les coefficientsmentionnes plus haut sont alors appliques comme il est indique dans Ietableau 22. La dose de chaux a employer serait de 357 ppm, plus 30 ppm demargie de securte (10-50 ppm), ce qui porte la dose totale a 387 ppm.Recarbonatation

La dose de gaz carbonique necessaire pour la recarbonatation dependde la quantite necessaire a l'elimination des 40 ppm d'alcalinite dues auxhydroxydes (voir tableau 21) et a la reduction de l'alcalinite carbonatee de35 a 30 ppm, en vue d'obtenir une alcalinite bicarbonatee de 5 ppm. Ceresultat final, avec un pH de 8,8, se fonde sur les chiffres qu'indique l'essaiau marbre pour l'equilibre du carbonate de calcium; on evite ainsi une sursa-turation en carbonates et par consequent l'entartrage des filtres a sable. 11faut done eliminer au total: 40 + 5 ppm, soit 45 ppm, et la dose de gaz car-bonique necessaire est de 45 x 0,55 =25 ppm.Contrdles de laboratoire

Le controle des processus complexes du traitement d'adoucissement par lachaux et la soude exige des travaux de laboratoire beaucoup plus importantsque dans le cas de la filtration ordinaire, car les doses sont calculees d'apresles resultats de l'analyse chimique. Les essais courants visent a determinerl'alcalinite (par le methyl orange ou la phenolphthaleine), le pH, la duretetotale, la teneur en magnesium et la fioculation. A partir des essais au methyl-orange et ala phenolphthaleine, on peut calculer l'alcalinite due aux hydro-xydes et I'alcalinite carbonatee et bicarbonatee, comme il est indique dansdans le supplement (p. 335). L'alcalinite et Ie pH permettent de determinerla teneur en gaz carbonique au moyen de la figure 19 (p. 342).


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256 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXUne variante de l'essai de coagulation et de floculation (voir p. 353), four-

nit le moyen le plus efficace de verifier en laboratoire les reactions d'adoucis-sement avant de les appliquer aux installations.Utilisation des resultats des essais concernant les reactions d' adoucissement

L'essai decrit a la page 354 ne prevoit pas la recarbonatation, mais repro-duit les conditions d'une eau decantee qui serait filtree au lieu d'etre recar-bonatee,Les tableaux 31, 32 et 33 du supplement (pp. 339 et 340) permettent

de determiner, a partir des trois essais: durete totale, alcalinite au methyl-orange et alcalinite a la phenolphthaleine, la nature des sels mineraux presentsdans l'eau analysee et, partant, l'effet des doses de chaux et de carbonate desoude calculees en laboratoire. Les resultats reproduits dans Ie tableau 23s'appliquent a une eau brute de caracteristiques courantes, l'eau traitee etantcensee avoir les qualites indiquees dans Ie tableau. En se servant des fac-teurs de conversion du tableau 22 pour Ie calcul des doses de chaux et decarbonate de soude necessaires a la reduction des sels mineraux indiques autableau 23, on a etabli que la dose totale de chaux hydra tee a 95 % do it etrede 239 ppm, plus un excedent d'environ 30 ppm, soit 269 ppm. La dose desoude doit etre de 26 ppm.

TABLEAU 23CALCUL DES DOSES NECESSAIRES POUR TRAITER UNE EAU BRUTE

DE TYPE COURANTTeneurTeneur escomp- Reduc- Coeffi-Composant de I'eau tee de tlon, cient a Doses de reactifs,brute, I'eau appll- en ppmen ppm traltee, en ppm queren ppm

Alcallnrte totale 175 35 140 0,78 Chaux etelnte, 109Alcallntte deter-rnlnee par laphenolphthalelne 0 20 0 0Magnesium 30 3 27 3,20 Chaux eteinte, 86Gaz carbonique 25 0 25 1,77 Chaux eteinte, 44Durete totale 250 85 165 0Durete noncarbonatee 75 50 25 1,06 Carbonate de soude, 26

Les qualites de l'eau traitee indiquees comme souhaitables dans lestableaux 21 et 23 representent les valeurs normales a prendre comme objectifdu traitement d'adoucissement. Le tableau 24 donne a comparer les resultatssouhaites et les resultats obtenus pour la qualite des echantillons soumis aux


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ADOUCISSEMENT ET DEj\UNERALISATION 257TABLEAU 24

COMPARAISON DES RESULTATS DE L'ANALYSE D'UN ECHANTILLON ADOUCIET DES RESULTA TS ESCOMPTES

Compos ant I Resultats I Resultats I Erreurescomptes de I'essaiAlcallnite totale 35 60 25 en plusAlcalinite determlnee parphenolphtaleine 20 30 10 en plusMagnesium 3 25 22 en plusGaz carbonique 0 0 0Durete non carbonatee 50 40 10 en mainsDurete totale 85 100 15 en pluspH 10,6 9,0 1)6 en mains

essais, apres traitement par la chaux et Ie carbonate de soude et apres veri-fication des reactions d'adoucissement. Les chiffres indiques concernent leseaux adoucies avant recarbonatation. On a choisi un pH de 10,6 pour que Iemagnesium precipite en presence d'un exces d'alcalinite caustique. En admet-tant que les resultats de l'analyse de l'echantillon adouci correspondent bienaux chiffres du tableau 24, on constate immediatement l'ecart qui separe lesresultats obtenus des resultats escornptes, Cet ecart ne serait peut-etre pasaussi grand dans la realite, mais l'exemple a e l e choisi pour illustrer lamethode de correction.

II saute immediatement aux yeux que l'eau n'a pas ete convenablementadoucie parce que la dose de chaux a ete insuffisante. La signification detail-lee des resultats des essais concernant les reactions dadoucissement ressortdes tableaux 31, 32 et 33 du supplement. On emploie d'abord le tableau 31 ense servant des resultats de I'analyse, puis on applique successivement auxnouvelles valeurs les formules indiquees dans les tableaux 32 et 33.

Si l'alcalinite determinee par la phenolphtaleine est egale it la moitie del'alcalinite totale ou de l'alcalinite determinee par le methylorange, letableau 31 indique:

alcalinite due aux hydroxydes = alcalinite carbonatee =60 ppmalcalinite bicarbonatee = 0

Dans l'exemple, la durete totale etait superieure it l'alcalinite totale, letableau 32 indique:

durete non carbonatee = lOO- 60 =40 ppmdurete carbonatee =60 ppmalcalinite sodique 0


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258 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXSi l'alcalinite sodique et I'alcalinite due aux hydroxydes sont toutes deux

nulles, le tableau 33 indique:hydroxyde de sodium 0carbonate de sodium 0hydroxyde de calcium 0carbonates de calcium et de magnesium =60 ppm.

Les resultats detailles calcules a l'aide des tableaux confirment I'insuf-fisance de la dose de chaux effectivement employee pour eliminer les selscalciques et magnesiens et montrent que Ie traitement par le carbonate desoude a trop diminue la durete non carbonatee. Les erreurs hypothetiquesadmises pour illustrer la marche a suivre montrent qu'il ne s'agit pas d'er-reurs de theorie, mais d'une mauvaise determination des doses de chaux etde carbonate de soude choisies pour les essais relatifs aux reactions d'adoucis-sement. Tout d'abord, on a ajoute moins de chaux qu'il n'en aurait fallu, cequi peut etre du a l'emploi d'une suspension de chaux ayant une concentra-tion plus faible que la concentration souhaitee. On suppose toutefois, pourla commodite de l'exemple, que l'erreur est due a l'emploi d'une dose dechaux de 239 ppm, c'est-a-dire calculee sans tenir compte de l'exces necessairede 30 ppm, ce qui aurait donne un total de 269 ppm. Deuxiemement, la dosede carbonate de soude etait trop forte et a done reduit la durete non carbo-natee a 40 ppm, au lieu de la ramener aux 50 ppm escomptes ; la dose decarbonate etait trop forte de 10 X 1,06 =10,6 ppm. II n'est done pas sur-prenant que le pH de l'echantillon d'eau traitee soit tombe a 9,0 au lieu de10,6 comme prevu et qu'il n'y ait pas eu d'alcalinite caustique. Ainsi, il suf-firait d'accroitre la dose de chaux pour obtenir I'alcalinite caustique voulueet la qualite souhaitee d'eau decantee, On repetera done les essais relatifs auxreactions d'adoucissement en modifiant les doses et on verifiera a nouveaules resultats par rapport aux caracteristiques recherchees,

Dans la pratique, l'experience doit eviter les erreurs de ce genre, maislorsqu'elles se produisent, on peut les evaluer et les corriger selon la methodeci-dessus, Le fonctionnement normal d'une installation prevoit l'analyse del'eau decantee, afin que Ie dosage des reactifs puisse eire corrige lorsqu'il ya lieu.Les controles de laboratoire concernant le precede d'adoucissementdoivent egalement viser a determiner la dose de gaz carbonique necessaire ala recarbonatation, ou la quantite supplementaire de carbonate de soude quipermet de transformer en soude l'exces d'hydroxyde de calcium et de preci-piter Ie carbonate de calcium.

On controle la recarbonatation par Ie gaz carbonique en calculant ladose necessaire pour transformer l'alcalinite due aux hydroxydes en alcali-nite carbonatee, additionnee de 5,0 ppm environ d'alcalinite bicarbonatee,Les calculs se font comme il est indique plus haut pour les resultats destableaux 21 et 22, en utilisant le coefficient 0,55.


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ADOUCISSEMENT ET DE~nNERALISATION 259Lorsqu'on applique le traitement par exces de chaux et qu'il n'existe pas

d'installation de recarbonatation, la dose de carbonate de soude doit etresuffisante non seulement pour eliminer la durete non carbonatee, mais aussipour neutraliser l'alcalinite due aux hydroxydes. Comme la durete et cettederniere alcalinite se traduisent toutes deux par la presence de carbonate decalcium, on peut utiliser Ie coefficient 1,06 indique dans le tableau 22 pourcalculer la dose de carbonate de soude. En supposant, par exemple, que ladurete non carbonatee doive etre reduite de 15 ppm et que I'alcalinite dueaux hydroxydes soit de 20 ppm, il faut neutraliser 15 + 20 =35 ppm; ladose de carbonate de soude necessaire sera done de 35 X 1,06 =37 ppm.

Adoucissement et demineralisation par echange d'ionsObjectifs

Ce precede de traitement des eaux doit son nom a la propriete qu'ontcertains materiaux d'echanger leurs ions avec ceux des sels dissous dansl'eau avec laquelle ils entrent en contact. Les plus connus sont les zeolites,echangeurs de bases qui remplacent Ies ions calcium et magnesium contenusdans l'eau par des cations sodium. Bien qu'il y ait uniquement echange d'ions,le resultat pratique est que les bicarbonates de calcium et de magnesium sonttransformes en bicarbonate de sodium, et les sulfates ou les chlorures decalcium et de magnesium en sulfate ou en chlorure de sodium. C'est cequ'on appelle l'adoucissement par echange de bases, ou l'adoucissement parzeolite, lorsque les materiaux utilises sont des sables verts naturels ou deszeolites synthetiques. II existe aussi des produits echangeurs plus recents quipermettent de deplacer a la fois les cations et les anions, faisant de l'ancienpro cede d'adoucissement un veritable precede de demineralisation, On parlede demineralisation par echange d'ions Iorsque lcs radicaux basiques etacides sont tous deux deplaces, Les deux precedes seront etudies separement.

ADOCCISSDIE:'-.'T PAR ECHANGE DE BASES

Les reactions qui interviennent dans ce precede sont indiquees ci-dessous,la lettre R design ant la portion d'anion de la matiere d'echange qui n' entrepas dans les reactions. Ainsi, Na2R represente un echangeur de base contenantdu sodium, et CaR et MgR ce meme produit apres echange des ions sodiumcontre des ions calcium et magnesium, eliminant ces mineraux de l'eau traiteeet liberant une quantite equivalente de sodium dans I'eau, Le deplacements'effectue seion la reaction:


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260 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXEn ce qui concerne les agents durcissants, les reactions sont les suivantes:

Ca(HC03)2 + Na2R -~ CaR + 2NaHC03CaS04 + Na2R ~ CaR + Na2S04Mg(HC03)2 + Na2R ~ MgR + 2NaHC03MgS04 + Na2R ~ MgR + Na2S04Lorsque Ie sodium de l'echangeur de bases a ete utilise, on pratique la

regeneration pour lui en restituer. On utilise des solutions de sel commun:CaR + 2NaCI~ CaCl2 +Na2RMgR + 2NaCI ~ MgCl2 + Na2R

Les chlorures de calcium et de magnesium sont evacues comme dechets avecla solution de sel epuisee.

Comme l'eau totalement adoucie serait corrosive, on melange a l'effiuentd'eau adoucie la quantite d'eau brute necessaire pour obtenir Ie degre dedurete souhaite,

AvantagesL'echange d'ions presente de grands avantages: simplicite de fonction-

nement et de contr6le, dimensions reduites des appareils etpossibilite dedemineraliser l'eau au degre voulu, queUes que soient les modifications de lateneur en sels mineraux de l'eau brute. Aussi utilise-t-on largement ce pro-cede dans l'industrie et a l'usage domestique; il repond generalement mieuxaux besoins des petites collectivites que l'adoucissement par la chaux et Iecarbonate de soude. D'une maniere generale, on peut dire qu'il est pluseconomique d'eliminer la durete carbonatee par traitement a la chaux, et ladurete non carbonatee par echange d'ions plutot que par Ie carbonate des oude.

Inconvenients et limitesLes echangeurs de bases ne sont pas rentables lorsque la durete totale

depasse 850 a 1000 ppm. On limite en principe la demineralisation aux eauxdont la teneur globale en solides est inferieure a 3000-5000 ppm. II est pre-ferable que l'eau a traiter soit claire ou tout au moinsde turbidite n'excedantpas 5 ppm; il vaut mieux egalement qu'eUe ne contienne pas de fer ou qu'elleen contienne moinsde 0,5 ppm, sous forme de precipites ou d'oxydes, souspeine de colmater Ie lit d'echangeurs et d'en reduire ainsi I'efficacite, (Voirp. 240 I'elimination par echange d'ions du fer et du manganese reduits), Lessables verts et les zeolites synthetiques ne doivent pas etre employes pouradoucir des eaux d'alcalinite sodique elevee ou de pH inferieur a 6,0 ou supe-rieur a 8,5, Le chlore residuel reagit avec certaines matieres organiques


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ADOUCISSE\IENT ET DEMINERALISATION 261d'echange ; il ne doit done pas etre applique aux eaux brutes traitees par detelles matieres.

Normes de qualite de l' eau effiuenteLes Normes internationales pour l' eau de boisson definissentcomme

acceptable une concentration maxirnale de 200 mg/I d'ions sulfate ouchlorure et comme admissible une concentration maximale de 400 mgj ld'ions sulfate et de 600 mg'! d'ions chlorure. Lorsqu'on adoucit par echanged'ions des eaux dont la durete non carbonatee est elevee, I'effiuent est richeen sulfates et chlorures de sodium. Si les Iimites admissibles sont depas-sees au cours du traitement par la chaux et la soude ou par echange d'ions,il convient, pour elirniner ces sulfates et chlorures. dappliquer l'un des pro-cedes de demineralisation decrits ci-apres.

Application du precede d'adoucissement par echange de basesUnites de mesure

Le pouvoir anti-durete des echangeurs d'ions s'exprime en grains par piedcube aux Etats-Unis et au Royaume-Uni. (Or 1 grain =1/7000 lb, done1 grain/US gal =17,1 mg/1 ou 17,1 ppm.) En France, il s'evalue en degrespar metre cube d'eau et par litre d'echangeur. Un degre francais est egal a10 ppm, ou 10mgjl, c'est-a-dire a 10g/ms d'eau ; ainsi un degre/ms x I=10 gpar metre cube d'eau et par litre dechangeur. En unites du systeme metrique,on peut egalement evaluer Ie pouvoir d'echange en grammes de durete eli-mines par litre d'echangeur, ce qui equivaudrait au dixieme de l'unite fran-caise, Dans Ie present texte, l'auteur a choisi comme unite de mesure Iegrain par pied cube (1 grain/It" =64,8 mg/ft" ou 2,29 g/rn"). (Pour toutesautres unites Ie lecteur est prie de se reporter aux tables de conversion del'annexe 3, p. 295.)

Principaux echangeurs de basesLe choix des echangeurs de bases depend des conditions locales, et

notamment de 1adisponibilite du produit, de son prix de revient, de 1aduretedes eaux brutes, des quantites approximatives necessaires (dimensions dulit), et de la duree prevue pour Ie cycle entre deux regenerations successives.Les echangeurs etant des produits brevetes, il faut se renseigner a fond aupresdu fabricant pour determiner les dimensions des appareils, en fonction dupouvoir antidurete de l'unite de volume d'echangeur, et les dimensions descuves de stockage de 1a saumure, d'apres Ie poids de sel necessaire pour 61i-miner, par exemple, 1000 grains de durete, Le nombre de grains de dureteelimines par pied cube d'echangeur et par cycle varie de 2800 a 5500 pour les


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262 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXzeolites naturelles, et de 9000 a 12000 pour les zeolites synthetiques: il sesitue aux environs de 7000 pour les produits organiques phenoles, et de30 000 pour les autres matieres organiques. La consommation de sel neces-saire pour eliminer 1000 grains de durete varie de 0,25 a 0,35 lb pour lesmatieres organiques et de 0,25 a 0,50 lb pour les zeolites.Installations d' adoucissement

Les appareils fonctionnant sous pression ou par giavite .sont egalementsatisfaisants et Ies liquides peuvent etre.draines de haut en bas ou de bas enhaut; mais les appareils a ecoulement de haut en bas sont plus courants, carils permettent d'utiliser des debits plus rapides sans troubler Ie lit. De toutemaniere, Ie debit ne do it pas depasser 6 gal/min/ft>, Le lavage par retourd'eau s'effectue generalement a raison de 6 a 8 gal/rnin/ft''. L'epaisseur mini-male du lit doit etre de 30 pouces. La hauteur de l'appareil au-dessus du litdoit atteindre environ 50 % de la profondeur du lit; on la determine en tenantdument compte de la densite du produit et du sens de I'ecoulement, Le litd'echangeurs doit reposer sur une couche de gravier etalonne d'au moins15 pouces d'epaisseur. Chaque appareil do it etre equipe d'un debitmetre,Derivation

Les adoucisseurs doivent etre munis d'une derivation permettant demelanger de l'eau brute a l'eau integralement adoucie, en vue d'obtenir ladurete desiree dans l'eau qui sort de l'installation mixte. La derivation doitetre munie d'un debitmetre pour controler la proportion d'eau dure qu'ellelaisse passer. II faut egalement genvisaer l'elimination du fer et du manganesepresents dans l'eau de la derivation, si la concentration de ces elements dansIe melange effluent depasse la limite souhaitable de 0,30 ppm. Le lecteur trou-vera au chapitre 12 un examen des facteurs a prendre en consideration dansla conception de l'appareillage necessaire,Cuves de dissolution et de conservation de fa saumure

II faut prevoir des cuves de dissolution capables de recevoir au moins uncamion et demi de sel etassez d'eau pour obtenir une solution a 25 % environ.Si elles sont en ciment, e1les doivent etre traitees interieurement a l'Inertolou par une autre peinture resistant au sel. Le niveau de l'eau doit etre centre-le par fiotteur, de maniere it reintroduire de l'eau chaque fois qu'il y a pre-Ievement de saumure saturee. On peut utiliser un ejecteur pour diluer la sau-mure saturee au fur et it mesure des besoins. Cet appareil doit avoir unecapacite suffisante pour assurer it travers le lit un ecoulement de 14 it 19 m/h.II faut prevoir un dispositif de lavage par retour d'eau pour rincer Ie sel restedans l'appareil apres regeneration.


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ADOUCISSEMENT ET DEMINERALISATION 263Evacuation de fa saumure epuisee

Etant donne que les chlorures de calcium et de magnesium presents dans lasaumure epuisee sont nuisibles a la vegetation et aux poissons, il faut sedebarrasser de celle-ci dans un cours d'eau dont le debit soit suffisant pourassurer, apres dilution, une concentration finale de chlorures ne depassantpas 500 ppm. Les dechets de saumure ne doivent pas etre deverses dans desetangs ou des lacs situes a proximite de puits, sous peine de voir les infiltra-tions dans la couche d'eau accroitrc considerablement la durete et la teneuren chlorures de l'eau des puits.Contriiles

IIest commode de pouvoir contr6ler automatiquement la regenerationdes installations d'adoucissement par echange de bases, mais uniquementdans les usines ou l'on dispose d'un personnel technique competent.Fonctionnement des echangeurs de basesAdoucissement

On poursuit le traitement tant que la durete de I'eau traitee reste nulle.On arrete Ie cycle d'adoucissement des que la durete de l'effiuent atteint1-5 ppm ou que l'essai au savon ( consommation de sayan ) indique unecertaine durete.Regeneration

On introduit de l'eau a contre-courant (c'est-a-dire de bas en haut) pourdetasser le lit. On injecte ensuite a travers le lit une solution diluee de sel.On rince a l'eau pure pour eliminer I'exces de solution salee, puis on com-mence un nouveau cycle d'adoucissement.

Le titre de la solution est habituellement determine par Ie fabricant; engeneral, on injecte lenternent dans Ie lit d'echangeurs une solution a 5-10 %pendant 30min. Le precede peut etre entierement normalise, surtout lorsqu'ils'agit d'adoucir des eaux de durete uniforme, comme la plupart des eauxde puits.

Les solutions saturees de sel titrent environ 26 ~~pip, soit 331 gil. Dansla pratique, on suppose toutefois que la concentration est egale a 25 % , soit297 gil. La solution saturee est diluee a 5 % ou 10 /~ par l'eau qui actio nnel'injecteur, de maniere a appliquer 241 a 349 g de sel pour 100 g de durete aeliminer (soit 0,35-0,50 Ib/1000 grains). Supposons, par exemple, qu'on choi-sisse la valeur de 0,35 lb/1000 grains, plus efficace, et que l'installation con-tienne 20 ft3 de substance echangeuse et ait un pouvoir d'echange de 20 000grains/It", on a:


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264 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXDurete eliminee par cycle =20 X 20 000 =400 000 grains

400000II faut 1000 X 0,35 = 140lb de sel,140soit: 2 48 =56,4 US gal de solution salee saturee.,

Ce volume de solution saturee est dilue soit au fur et a mesure de son intro-duction, soit dans un reservoir distinct jusqu'a obtention d'une concentra-tion de 5 % par exemple, c'est-a-dire un cinquieme de la concentration ini-tiale ou quatre parties d'eau pour une partie de solution saturee, ce quidonne un volume final de 282,0 gal de solution diluee dans la cuve de disso-lution.

Voici un exemple de calcul du volume d'eau adouci par cycle:Supposant que la durete de l'eau brute soit de 250 ppm ou 250: 17,1

14,6 grains/US gal, et que l'installation ait un pouvoir d'echange de 400 000grains (soit 25,9 kg) par cycle, la quantite d'eau adoucie par cycle sera de:25,9 X 1 000000/250 = 103 500 litres ou 103,5 m" (400000/14,6 = 27000US gal).

RincageLa regeneration des echangeurs doit etre suivie d'un lavage abondant du

lit a l'eau brute, l'effiuent contenant les dechets de sel etant evacue tant quesa durete reste superieure a 1 ppm environ et que les chlorures n'ont pasdisparu (voir l'essai dans le supplement); on renvoie ensuite l'eau de rincagedans l'eau d'arrivee, et Ie cycle d'adoucissement suivant recommence.

Le rincage s'effectue generalement a un debit d'environ 4,8 m/h; Ietemps de rincage est d'environ 20 min pour 1es zeolites et d'environ 30 minpour les charbons ou les resines, Il convient de suivre les directives du fabri-cant pour chaque installation donnee, On arrete l'operation de rincagelorsque l'analyse des chlorures montre que l'eau de rincage est pauvre en sel.

Utilite de fa derivationComme il est indique plus haut, ce pro cede consiste a devier une partie

de l'eau brute pour la melanger a l'eau totalement adoucie, de maniere aobtenir en definitive .une eau traitee qui ne soit pas corrosive. En admettantpar exemple que la durete de l'eau brute soit de 250 ppm et que celle del'eau traitee apres melange doive etre de 85 ppm, soit 85/250 =34 % de ladurete originale, on devie alors 34 % du debit d'arrivee et on en adoucit66 % ; on obtient ainsi, apres melange, une eau traitee a 85 ppm de durete.


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ADOUCISSEMENT ET UEl>HNERALISATION 2 6 5

Protection contre fa corrosionII se peut que l'eau traitee et melangee reste legerement corrosive; l'essai

au marbre permettra alors de determiner quel est Ie meilleur pourcentaged'eau brute a utiliser et s'il faut eventuellement appliquer aussi un traite-ment chimique. On utilise en general du carbonate de soude, de la soudecaustique ou du silicate de sodium pour lutter contre la corrosion, car cesreactifs, a la difference de la chaux, n'augmentent pas la durete de l'eau.Echange d'ions par charbons ou resines organiques

Pour realiser l'adoucissement sodique envisage ci-dessus, on peut utiliserdes charbons a condition que Ie pouvoir d'echange ne puisse pas exceder40000 grains/ft"; leur fonctionnement est independant de l'acidite et permetde traiter des eaux de pH inferieur a 9,5 sous reserve que le carbonate de cal-cium ne precipite pas sur les grains. On empeche la formation de ce precipiteen regenerant par solution acide plutot que par solution saline.

C'est ce qu'on appelle l'adoucissement en cycle H, qui est decrit plus loin.On a maintenant mis au point des resines organiques dont le pouvoird'echange va de 10 000 a 40000 grains/fts. Elles sont utilisables aussi bienen cycle sodique qu'en cycle H ou OH et permettent dobtenir une demine-ralisation complete, les cations etant remplaces par les ions H et les anionspar les ions OH selon les reactions ci-apres.Echange de bases en cycle H

L'enchainement des reactions en cycle H est Ie suivant:Ca(HC03)2 + H2R -->- CaR --:-2H20 --'- 2C02CaS04 + H2R -->- CaR _:_H2SO,l (1)(2)

Les reactions sont analogues Iorsqu'il s'agit d'elirniner des sels magnesiensou des cations sodium et potassium (demineralisation). On regenere parl'acide sulfurique:

CaR + H2S04 -->- H2R + CaS04MgR + H2S04 -->- H2R - NIgSOJNa2R + H2SO,l-->- H2R - Na2S04(3)(4)(5)

La quantite d'acide sulfurique necessaire pour eliminer 1000 grains de dureteest de 136 a 272 g (0,3 a 0,6 lb).

II convient de noter qu'il y a degagement de gaz carbonique uniquementlorsqu'on elimine des carbonates, comme dans la reaction (1). Dans cesconditions, 1es bicarbonates de calcium, de magnesium, de sodium et depotassium peuvent etre totalement elimines en cycle H; il faut faire suivrel'adoucissement d'un degazage, pour chasser le gaz carbonique.


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266 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXL'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique respectivement produits par

elimination des sulfates ou des chlorures peuvent etre neutralises par untraitement fractionne ou par l'emploi d'une resine echangeuse d'anions (voirci-apres la Demineralisation par echange d'ions).

Traitement fractionneOn emploie deux unites separees montees en parallele, l'une fonctionnant

en cycle Na et l'autre en cycle H. On obtient deux eaux, l'une alcaline, l'autreacide, que l'on melange et qui se neutralisent. Mais l'effiuent final contientdu sulfate et du chlorure de sodium. II est done impossible d'appliquer cetraitement lorsque la durete autre que carbonatee est suffisamment eleveepour produire plus de 200 ppm d'ions sulfate ou chlorure, c'est-a-dire pourdonner une teneur en sulfate de calcium superieure a 283 ppm ou une teneuren chlorure de calcium superieure a 314 ppm.

DEMINERALISATION PAR ECHANGE D'JONS

Echange d'anions en cycle OHLes resines regenerees a l'hydroxyde de sodium (ou soude caustique)

peuvent servir a echanger ou a fixer des anions ou des radicaux acides, telsque les ions carbonate, sulfate et chlorure. Les reactions sont done inversesde celles qui ont lieu par echange de bases. En montant en serie des adoucis-seurs it cycle OH et a cycle H, on assure done une demineralisation complete.Le premier adoucisseur fonctionnant en cycle H produit par echange debases une eau traitee contenant du gaz carbonique, de l'acide sulfurique etde l'acide chlorhydrique. Le gaz carbonique est elimine par degazage avantIe traitement s'il s'agit de resines faiblement basiques, ou bien sous formed'acide carbonique, en meme temps que les autres acides, si l'on emploie desresines fortement basiques. Ainsi, Ie premier echangeur elimine les cationsen cycle H (reactions 1 et 2 ci-dessus) et Ie deuxieme echangeur elimine lesacides produits :R(OH) + H2S04 ----+RHS04 + H20 (resines faiblement basiques) (6)2R(OH) + H2S04 ----+R2S04 + 2H20 (resines fortement basiques) (7)

Autrement dit, l'effiuent du deuxieme echangeur est demineralise. Laregeneration s'effectue par la soude caustique:

(8)Le pouvoir d'echange de ces resines a l'egard des acides va de 12000a 25 000 grains/ft". La quantite de soude caustique necessaire a la regenera-

tion est de 272 a 454 g (0,6 a 1,0 lb) par 1000 grains de durete elimines, A


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ADOUCISSEMENT ET DEMlNERALISATION 267

l'heure actuelle, ce pro cede revient done plus cher que la distillation lorsquela teneur globale de l'eau en solides depasse 3000 ppm environ.

Fonctionnement des demineralisateursLes demineralisateurs a charbons ou a resines organiques fonctionnent en

cycle Na, comme pour les echangeurs a zeolite. Lorsque l'installation com-porte en parallele un echangeur en cycle Na et un echangeur en cycle R, onregle le debit dans les deux appareils de telle maniere que l'alcalinite del'eau provenant du premier echangeur neutralise l'acidite de l'effluent dudeuxieme echangeur ; on obtient ainsi un melange neutre. Mais il est parfoisnecessaire que l'eau traitee reste alcaline pour eviter qu'elle ne soit corrosive;on augmente alors le debit du premier echangeur. Il ri'existe pas d'essaisimple pour controler I'eau traitee apres les operations des deux appareilsen serie de cycle R (reactions 1 et 2) et de cycle OR (reactions 6 et 7). Dansla pratique, l'eau demineralisee est controlee par determination du pH et dela conductivite de I'eau, qui est proportionnelle a la teneur en ions et, parconsequent, tres faible lorsque la demineralisation est complete. La deter-mination du pH permet ainsi de savoir quand il faut regenerer les deuxechangeurs.

Les fabricants fournissent des instructions detaillees quant au fonction-nement et a l'entretien de ces appareils. Les divers modeles etant tres diffe-rents les uns des autres, il est impossible de donner des directives generales.

Autres methodes de demineralisationElectrodialyse

L'electrodialyse se fait a l'aide de membranes speciales permeables auxions mais pas a l'eau. Certaines Ie sont aux ions positifs (ou cations) seule-ment, et les autres aux seuls ions negatifs (ou anions). L'energie necessairea la separation est fournie par une difference de potentiel continue entredeux electrodes qui attirent Ies cations d'un cote et les anions de l'autre. Leresultat pratique est que les ions passent de la solution saline, a travers lesmembranes, dans des compartiments adjacents ou se forment des solutionsfortement concentrees qui sont rejetees, En pratique, on empile un certainnombre de membranes alternees, suffisamment espacees; l'eau saline ademineraliser circule dans ces espaces et Ies ions des sels mineraux contenusdans l'eau migrent a travers les membranes et passent dans les compartimentsvoisins. Un courant d'eau demineralisee et un courant d'eau concentree seforment done dans les espaces alternes, ce qui permet de recueillir d'une partune eau demineralisee et d'autre part une saumure fortement concentree, qui


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268 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXest rejetee, L'evacuation de ces dechets pose des problemes serieux et peutentrainer une augmentation sensible du cofrt de 1'appareil.

On construit actuellement aux Etats-Unis de grandes usines d'electrodia-lyse, dont 1'objectif est de produire de 1'eau adoucie a un prix de revient deUS $ 0,25 a 0,40 par 1000 gal. Une petite installation de Californie produitdeja de l'eau a 38 ppm de durete, a 15 ppm de chlorures et 195 ppm de sul-fates, sortant au debit de 20 gal/min (28 000 gal/jour) en traitant une eaubrute dont la durete est de 574 ppm, la teneur en chlorures de 257 ppm et ensulfates de 1158 ppm. Le volume de la saumure residuaire est d'environ0,5 gal/gal d'eau demineralisee obtenue, et la consommation d'electricites'eleve a 12,3 kW (0,21 US $) par mi11ier de gallons. La construction desbatiments a cofrte US $ 105000 et 1'installation des appareils necessairesUS $ 80000. Le prix de revient de la production d'eau s'etablit comme suit:fonctionnement: US $ 0,89; depenses d'equipement: US $ 0,54; total: US $1,43. Dans les autres installations, le cout de la production depassait US $2,00 par millier de gallons. L'objectif indique est done encore loin d'etreatteint.

L'electrodialyse convient surtout pour demineraliser partie11ement 1eseaux legerement salines plutot que les eaux marines, car la production parunite d'energie est inversement proportionnelle ala teneur en sel.

DistillationLe prix de revient de l'energie necessaire a I'evaporation de l'eau ne

depend pas de la teneur en sel de cette eau; la distillation de 1'eau de mer necoute done pas plus que celIe des eaux saumatres. Dans les installationsactuelles, qui fonctionnent avec du mazout bon marche, Ie prix de revient dela distillation est d'environ US $ 2,00 par millier de gallons. De nouveauxappareils a l'etude devraient permettre de Ie diminuer de moitie,

Distillation par fa chaleur solaireLa chaleur solaire ne coutant rien, on pourrait penser que son emploi pour

evaporer des eauxsalines et marines est economique. Mais si l'eau salee s'eva-pore facilement dans de grands bassins peu profonds, l'insta11ation necessairea la condensation de la vapeur pose quelques problemes. La chaleur solaire,qui produit 5000 a 6500 kcal/rn'' par jour dans les regions au climat enso-leille, a un pouvoir d'evaporation de 4 a 6 mm par jour, soit un rendementd'environ 50 % dans les regions ou regne une chaleur de cette intensite, Pourevaporer 4 m" par jour, il faut done disposer d'une surface de 700 a 1000 m",La surface d'evaporation doit eire recouverte de verre ou de matiere plastiquetransparente qui empeche la vapeur d'eau de s'echapper et sert egalementde surface de condensation. Les recherches actuelles visent a transferer la


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ADOUCISSEME::-IT ET DEMINERALISATION 269

vapeur d'eau dans des condensateurs separes grace a un courant d'air, Le prixde revient est d'environ US S 1,75 par 1000 gal: on espere l'abaisser aUS $ 1,00 par 1000 gal.Congelation

Par congelation des eaux salines, on obtient des cristaux de glace qu'ilsuffit de faire fondre pour avoir de l'eau douce. L'energie electrique neces-saire a l'operation depend de la teneur en sels mineraux, mais elle est infe-rieure a celle que necessite l'evaporation ; c'est pourquoi des recherches sontactivement menees pour mettre au point des installations de traitement deI'eau de mer, qui devraient permettre, si elles sont concues a grande echelle,d'abaisser Ie prix de revient a US S 0,50 ou 1,00 par 1000 gal.Facteurs economiques

L'interet qu'il y a, du point de vue economique, a demineraliser des eauxqui autrement seraient inutilisables doit etre evalue en tenant compte des prin-cipaux facteurs sociaux et industriels dont dependent Ie bien-etre et le progresdes collectivites dans les regions ou les ressources en eau douce sont tres limi-tees. II peut se faire que l'existence meme d'une industrie repose sur la distil-lation de l'eau de mer, quelles que soient les depenses encourues-c'est le cas,par exemple, de l'industrie petroliere dans certaines parties du Moyen-Orientet dans l'ile d' Aruba. Dans d'autres cas, Ia comparaison entre le prix derevient de la demineralisation d'une eau locale saumatre et ce que cofiteraitl'amenee sous canalisations d'une eau douce captee a grande distance posedes problemes complexes qui exigent une analyse technique detaillee, Engeneral, il faut que le prix de revient de la demineralisation soit ramene a unevaleur bien inferieure a LJS S 1,00 par 1000 gal pour concurrencer Ie cofrt dedistribution des eaux deuces. Pour citer un exemple, le prix de revient moyende la distribution de l'eau douce aux Etats-Unis est de US S 0,12 par 1000 gal,le traitement applique courant US S 0,05 par 1000 gal, alors que le prix derevient de la transformation de I'eau salee (US S 1,00 par 1000 gal) ne com-prend ni l'amortissement des installations, ni les frais de distribution del'eau, ni les depenses d'administration. Jusqu'a present, aucun des proce-des de dernineralisation des eaux saumatres ou marines ne s'est revelecapable de produire de I'eau presentant une teneur en sels mineraux satis-faisante a un prix de revient aussi bas. Ces precedes repondent toutefoisa un besoin si evident que plus de dix millions de dollars sont depen-ses chaque annee aux Etats-Unis pour la recherche, dans l'espoir que lesresultats ainsi obtenus et le progres industriel permettront, dans les regionsou les ressources en eau douce sont Iimitees, de demineraliser les eauxsalines et marines a des prix de revient comparables aux couts de distribu-tion des eaux deuces.


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270 TECHNIQUES ET CONTROLE DU TRAITEMENT DES EAUXResume

Les installations experimentees sont complexes, leur entretien et leurfonctionnement sont plus difficiles que ceux des precedes c1assiques de trai-tement des eaux. La recherche s' oriente vers des methodes plus simples etplus economiques, II y a lieu d'esperer de veritables progres des precedesde demineralisation de l'eau de mer par distillation et par congelation, et desmethodes d'electrodialyse pour adoucir les eaux qui ne sont que Iegerementsalines.

Documents

Adoucissement Des Eaux