DIMENSIONNEMENT DE LA STATION DE PRODUCTION …lassana.koita.free.fr/VdP_Annexe Projet/Annexe_6_Mem tech usine... · Annexe_7_Mem tech usine Diawara_final.doc 3/14 Juin 2009 1 INTRODUCTION

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Annexe_7_Mem tech usine Diawara_final.doc 1/14 Juin 2009

DIMENSIONNEMENT DE LA STATION DE

PRODUCTION D’EAU

DE DIAWARA

MEMOIRE TECHNIQUE

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SOMMAIRE

1 INTRODUCTION.............................................................................................................. 3

2 Dimensionnement de l’usine de production....................................................................... 4

2.1 Qualité de l’eau brute et traitement ............................................................................ 4

2.1.1 Qualité de l’eau .................................................................................................. 4

2.1.2 Coagulant ........................................................................................................... 4

2.2 Tour d’eau brute et injection de coagulant................................................................. 5

2.3 Coagulation floculation .............................................................................................. 6

2.3.1 Technique retenue .............................................................................................. 6

2.3.2 Ouvrages............................................................................................................. 6

2.4 Equipements ............................................................................................................... 8

2.4.1 Coagulant ........................................................................................................... 8

2.4.2 Ajustement du pH............................................................................................... 9

2.5 Décantation................................................................................................................. 9

2.5.1 Avant-propos ...................................................................................................... 9

2.5.2 Description ....................................................................................................... 10

2.6 Filtration ................................................................................................................... 10

2.7 Désinfection ............................................................................................................. 11

2.8 Métrologie ................................................................................................................ 11

2.8.1 Comptage ......................................................................................................... 11

2.8.2 Analyseurs ........................................................................................................ 12

3 CONCLUSIONS.............................................................................................................. 13

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1 INTRODUCTION

L’étude de l’évolution de la demande en eau potable de la ville de Diawara sur les quinze

prochaines années montre que, d’ici 2011, un débit d’eau de 20 m3/h supplémentaire sera

nécessaire pour répondre à la demande et que ce débit devra être doublé d’ici dix ans.

Parmi les possibilités, la construction d’une usine de production d’eau potable à partir d’eau

brute issue du fleuve Sénégal a été envisagée : c’est l’objet de ce présent mémoire.

La production de cette usine devant être doublée dans quelques années, le projet a été

construit en tenant compte de ce paramètre afin de limiter au maximum les transformations

futures.

D’autre part, afin de pérenniser le fonctionnement de cette installation, le nombre

d’équipements électromécaniques a été réduit au maximum.

Enfin, le dimensionnement du traitement a été conçu de telle sorte que l’usine soit capable de

traiter des eaux fortement chargées en matières en suspension durant la saison des pluies.

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2 Dimensionnement de l’usine de production

2.1 Qualité de l’eau brute et traitement

2.1.1 Qualité de l’eau

Les résultats des bilans analytiques sur l’eau du fleuve Sénégal montrent que l’eau est

faiblement minéralisée et que l’on peut avoir de fortes variations de la turbidité avec des

pointes à plusieurs milliers de FNU durant l’hivernage.

Un prélèvement effectué le 29 juin 2009 confirme cette constatation : ils sont présentés ci-

dessous.

Paramètre Unité Concentration

Turbidité FNU 357

pH - 7,40

Température ° C 29,8

Conductivité µS/cm à 25 °C 44

Oxygène dissous mg/l O2 6,2

Alcalinité totale (TAC) ° Français 1.9

Dureté Totale (TH) ° Français 1.8

Dureté calcique (TCa) ° Français 1

Fer total µg/l Fe 7400

Manganèse total µg/l Mn 110

Carbone organique dissous (COD) mg/l C 1.4

DO à 254 nm m-1

4.5

On peut également noter sur ces résultats une concentration en matières organiques

relativement faible et une concentration en fer et manganèse en concordance avec la turbidité

de l’eau.

Un autre prélèvement effectué le 1/07 avait les caractéristiques suivantes :

Turbidité = 920 FNU pH = 7.09 Conductivité = 45.5 µS/cm

DO254 = 6.8 m-1

COD = 1.9 mg/l

Le COD reste relativement faible malgré une turbidité élevée.

La turbidité pouvant être très élevée, aucune des étapes de clarification ne peut être omises :

elle doit donc être composée d’une coagulation, d’une floculation, d’une décantation et d’une

filtration.

2.1.2 Coagulant

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Le choix du coagulant est important. En effet, l’eau est très faiblement minéralisée avec un

TAC de l’ordre du degré français.

Lorsque l’on utilise du sulfate d’aluminium (SA), celui-ci réagit avec les bicarbonates

présents pour former des hydroxydes d’aluminium dont le rôle est primordial pour déstabiliser

les colloïdes, former des flocs et adsorber une partie des matières organiques dissoutes.

Lorsque le TAC est faible, la formation des hydroxydes est altérée, le pH descend trop bas

(dissolution de l’aluminium) et la coagulation floculation est médiocre : il est impératif dans

ce cas d’ajouter de la chaux afin de maintenir le pH dans la zone optimale et permettre

l’hydrolyse.

A titre d’exemple, en appliquant un taux de SA de 30 g/m3, le pH descend théoriquement à

5.7 (sur l’eau analysée) et pour le remonter à pH 7, il faudra ajouter 10 g/m3 de chaux éteinte

(Ca(OH)2).

Avec un taux de traitement de 100 g/m3, le pH descendra à 4.7 et la dose de chaux nécessaire

pour remonter à pH 7 sera de 13.5 g/m3.

Avec du WAC et un taux de traitement de 100 g/m3, le pH serait de 6.2 et ne nécessiterait pas

de chaux pour coaguler.

Ce n’est qu’au-delà de 120 g/m3 qu’il faudrait utiliser de la chaux avec par exemple à 150

g/m3 (pH = 5.7) un taux de chaux de 10 g/m

3

La maîtrise du traitement à la chaux est toujours délicate. En effet, c’est un produit qui se

carbonate facilement (bouchage des conduites) et qui, lorsque l’eau est douce, peut provoquer

de grandes variations de pH lors de faibles variations de taux de traitement.

D’autre part, les taux de traitement en coagulant à appliquer sont relativement pointus et un

surdosage dégrade la qualité de l’eau décantée.

Le sulfate d’aluminium est généralement préparé in-situ et la concentration de la solution mère

peut varier ce qui peut provoquer une perte de maîtrise du taux de traitement appliqué.

Il est donc préférable d’utiliser un polychlorure d’aluminium qui ne présente pas tout ces

inconvénients. En effet, c’est un coagulant qui consomme peu de TAC, qui influe peu sur le

pH et qui supporte facilement des surdosages.

Enfin, c’est un produit prêt à l’emploi.

2.2 Tour d’eau brute et injection de coagulant

L’eau provenant de la station de pompage par une conduite en DN 125 sera raccordée à une

vasque de restitution.

Afin de tenir compte des pertes en eaux sur l’usine dues aux lavages des filtres et aux purges

des décanteurs, le débit d’eau brute sera réglé à 22 m3/h afin d’obtenir une capacité de 400

m3/j (20 m3/h sur 20 heures).

Le marnage du fleuve étant important (jusqu’à 10 mètres), le débit de la pompe d’eau brute

dépendra de cette hauteur et pourra varier rapidement en crue. Un compteur sur la conduite

d’amenée et une vanne permettront de régler le débit.

Afin de limiter ces variations de débit lors d’évènements pluvieux, la vasque d’arrivée sera

équipée d’un trop plein latéral ajustable par un seuil : à partir de 22 m3, l’eau débordera

également par ce seuil. Cet ouvrage servira aussi de trop plein.

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L’eau sortira de la vasque par un déversoir droit. Le plan d’eau aval sera ajusté afin de

permettre la création d’une cascade.

Le coagulant sera injecté dans la lame déversante en plusieurs points simultanés. La forte

turbulence provoquée par cette lame permettra d’obtenir un mélange rapide ce qui un facteur

très important pour obtenir une bonne coagulation.

2.3 Coagulation floculation

2.3.1 Technique retenue

Pour éviter l’emploi de mobiles d’agitation, notre choix s’est porté sur l’installation de

floculateurs statiques.

La technique consiste à installer des chicanes verticales dans l’ouvrage en espaçant de plus en

plus leurs distances respectives.

Cela permet de faciliter l’agglomération des flocs avant décantation

2.3.2 Ouvrages

A la sortie de la vasque où est injecté le coagulant, les premières chicanes seront rapprochées

et équidistantes afin de promouvoir la phase de floculation orthocinétique (neutralisation des

charges et agglomération primaire).

Les compartiments suivants seront espacés de plus en plus afin d’effectuer la floculation

péricinétique (grossissement des flocs).

Les chicanes verticales (en PVC) seront insérées et tenues dans des glissières latérales.

Ainsi, lorsque la production de l’usine passera de 20 à 40 m3, il suffira d’enlever les plaques

et de les déplacer, sans pour cela toucher au génie civil.

L’étape de coagulation floculation s’effectuera transversalement par rapport à l’axe principal

de l’usine.

Un jeu de chicane dans le sens longitudinal (sens du décanteur) permettra de tranquilliser le

flux avant l’entrée de l’eau floculée dans le décanteur.

Le schéma ci-après présente l’étape de coagulation floculation pour les deux débits :

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Le fond du floculateur statique sera incliné dans le sens de l’écoulement et les plaques PVC

reposants sur le sol seront percées afin de facilité le passage de l’eau lors du nettoyage du

0.15 m 0.3 m 0.4 m 0.4 m

4.0 m

Décanteur couloir

0.2 m 0.4 m

0.5 m

0.4 m

0.4 m

4.0 m

Décanteur couloir

0.6 m

0.4 m

20 m3/h 40 m3/h

AA

B

B

0.5 m

0.5 m0.6 m

TP

0.6 m

TP

0.15 m 0.3 m 0.4 m 0.4 m

4.0 m

Décanteur couloir

0.2 m 0.4 m

0.5 m

0.4 m

0.4 m

4.0 m

Décanteur couloir

0.6 m

0.4 m

20 m3/h 40 m3/h

AA

B

B

0.5 m

0.5 m0.6 m

TP

0.6 m

TP

COUPE AA

0.10 m 0.2 m0.3 m

COUPE AA

0.10 m 0.2 m0.3 m

COUPE BB

Décanteur

PE

COUPE BB

Décanteur

PE

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floculateur mais également pour supporter la pression lors du remplissage du floculateur après

nettoyage (équi-répartition des pressions)

2.4 Equipements

2.4.1 Coagulant

Dans le cas de l’utilisation de polychlorure d’aluminium, le poste coagulant sera composé des

pièces suivantes :

- cuve de stockage de 2 m3,

- pompe doseuse de 4 l/h,

- canne d’injection multi-points

Les taux de traitement seront compris, d’après notre estimation, entre 20 et 180 g/m3 ce qui

correspond à un débit de pompe doseuse variant entre 0,36 et 3,3 litres par heure pour une

densité du coagulant liquide de 1,2.

La gamme de débit étant large, il sera préférable d’utiliser une pompe doseuse avec un débit

pouvant être réglé par la course du piston mais également par la fréquence d’impulsion.

En prenant les hypothèses de taux de traitement suivantes :

- 8 mois à 30 g/m3

- 2 mois à 80 g/m3

- 2 mois à 150 g/m3

- une production de 16 heures par jours

La consommation annuelle en coagulant serait de 6,2 m3 (7.4 tonnes) et l’autonomie de la

cuve, dans le pire des cas de 45 jours.

Dans le cas de l’utilisation du sulfate d’aluminium noisette, la solution mère devra être

préparée à 200 g/l dans une cuve de préparation de 1000 litres équipée d’un agitateur.

Nous pensons que les taux de traitement pourront varier entre 15 et 150 g/m3 soit un débit de

pompe doseuse compris entre 1.65 et 16.5 litres par heure : la pompe devra avoir un débit

nominal de 20 l/h et être équipée de réglage de course de piston et de fréquence comme pour

le polychlorure.

En prenant les hypothèses de taux de traitement suivantes :

- 8 mois à 25 g/m3

- 2 mois à 60 g/m3

- 2 mois à 120 g/m3

- une production de 16 heures par jours

La consommation annuelle en coagulant serait de 6 tonnes et l’autonomie de la cuve de

préparation, dans le pire des cas de 4 jours.

Il existe sur le marché du sulfate d’aluminium liquide à 625 g/l : ce pourrait être une solution

alternative permettant d’éviter la préparation et la variation de la concentration de la

préparation.

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2.4.2 Ajustement du pH

La chaux doit de préférence être injectée avant le coagulant mais il peut être injecté en même

temps si la configuration des installations le nécessite.

Les équipements de ce poste dépendront du type de coagulant utilisé.

Avec du polychlorure d’aluminium, l’ajout ne devrait être nécessaire, à priori, que durant

l’hivernage, période où les taux de traitement seront élevés.

Dans ce cas, un système simple de saturateur à chaux pourrait être installé à proximité de la

vasque d’eau brute.

Avec le sulfate d’aluminium, les quantités de chaux qui seront mis en œuvre impliquent

l’utilisation de lait de chaux plutôt que de l’eau de chaux.

Il sera nécessaire de préparer une barbotine à partir de chaux éteinte, dans une cuve de

préparation munie d’un agitateur et d’injecter le produit à l’aide d’une pompe doseuse (de

préférence pompe à « queue de cochon »).

La chaux devra être utilisée tout au long de l’année et le taux devra être modifié en même

temps que le taux de coagulant, en cherchant de préférence un pH de floculation d’environ

7,0.

Pour un taux de traitement en coagulant (SA) de 45 g/m3, soit un pH abaissé à 5.2, la quantité

de chaux nécessaire pour obtenir un pH de floculation de 7 sera de 13 g/m3 soit 1.7 tonne par

an de chaux éteinte.

Cette consommation serait de 200 kg avec du WAC (150 g/m3 pendant 2 mois)

Avec le sulfate d’aluminium, le pH doit rester en dessous de 7,5 (mais au dessus de 6.0) pour

éviter de dépasser la norme sur l’aluminium dissous (0,2 mg/l)

2.5 Décantation

2.5.1 Avant-propos

La turbidité de l’eau brute atteint, en hivernage, des valeurs très importantes (plusieurs

milliers de FNU) : ce paramètre doit être pris en compte pour le choix du type de décanteur à

utiliser.

Nous avons préféré, pour cette étude, choisir une décantation de type couloir car c’est la seule

technique qui peut supporter sans problèmes de très fortes concentrations en matières en

suspension.

Avec une décantation lamellaire, il faut augmenter la profondeur de l’ouvrage sous les

lamelles et le risque est grand d’avoir des bouchages partiels des lamelles par des algues ou

des flocs.

Pour être sûr de l’efficacité de la décantation lamellaire, il faudrait, si on veut utiliser ce type

de technique, mettre un débourbeur en amont du décanteur.

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2.5.2 Description

L’eau floculée rentrera dans le décanteur couloir par le bas. Le radier du décanteur sera

incliné avec une pente d’environ 10% avec une fosse dans la première partie.

Les boues décantées seront récupérées à l’aide d’une conduite placée dans la fosse.

Cette conduite, perpendiculaire à l’écoulement, sera munie de bras percé (raquettes), sur

environ 3 mètres dans le sens longitudinal afin de récupérer le maximum de boues lors des

purges qui seront effectuées manuellement par ouverture d’une vanne placée à l’extérieur de

l’ouvrage.

A 22 m3/h, la vitesse de Hazen dans le décanteur sera de 0,79 m/h et le temps de séjour de 2

heures.

Elle sera encore dans des limites acceptables lorsque le débit de l’usine sera doublé (< 2 m/h

pour ce type d’ouvrage) : il n’y aura donc aucune modification de l’ouvrage lors de

l’augmentation de capacité.

Les eaux décantées seront récupérées dans un canal avant d’être filtrées.

2.6 Filtration

Les eaux décantées récupérées dans un canal seront dirigées vers une pompe de reprise par

une conduite en DN 150.

La filtration s’effectuera sous pression : la pompe devra être dimensionnée pour vaincre les

pertes de charge dues aux filtres et atteindre le château d’eau.

La filtration s’effectuera en « filtre bidon ». Nous avons prévu l’installation de trois filtres

fermés de 1,2 mètres de diamètre alimentés en parallèle.

La filtration s’effectuera sur sable. La hauteur de sable sera de 1,2 mètres. Une couche de 10

cm de gravier (4 à 8 mm) posé sur le plancher permettra de mieux répartir le débit d’eau sur

les buselures.

Les principales caractéristiques retenues sont les suivantes :

Diamètre des filtres 1,2 m

Hauteur cylindrique 1,5 m

Surface de filtration unitaire 1,13 m2

Nombre de filtres 3

Vitesse de filtration 6,5 m/h

Vitesse de filtration avec N-1 filtres 9,7 m/h

Hauteur de sable 1,2 m

Granulométrie du sable 1 – 1,4 mm

Temps de contact (sur sable) 11 mn

Hauteur de gravier 10 cm

Granulométrie du gravier 4 – 8 mm

Les dimensions des filtres ont été calculées de telle sorte que l’on puisse utiliser le débit

produit pour laver les filtres.

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Lors d’un lavage, l’usine sera maintenue en fonctionnement avec deux filtres en service.

L’eau filtrée sera utilisée pour laver le troisième filtre.

La station devra être équipée d’un surpresseur d’air de lavage (soufflante) pouvant refouler 55

m3 à 300 mbars afin d’effectuer de vrais lavages.

La séquence de lavage qui devra être adoptée est la suivante :

Soufflage 2 mn

Débit d’air 55 m3/h

Lavage air + eau 10 mn

Débit eau 11 m 3

/h

Vitesse eau de lavage 10 m/h

Débit d’eau de rinçage (air sur arrêt) 22 m 3

/h

Durée du rinçage 12 mn

Vitesse eau rinçage 19,5 m/h

Le volume d’eau nécessaire au lavage d’un filtre est de : 5,7 m 3

.

Une dérivation (by-pass) de petit diamètre sur le retour d’eau avec compteur et vanne

permettra d’effectuer la phase de lavage (air/eau) avec l’eau à petit débit.

Lors de l’augmentation de la capacité de traitement de l’usine, le nombre de filtres sur l’usine

devra être doublé.

2.7 Désinfection

L’eau filtrée sera refoulée vers le réservoir de stockage.

Avant la mise en distribution, l’eau devra être désinfectée au chlore.

On utilisera pour cela de l’hypochlorite de calcium (HTH) beaucoup plus stable que l’eau de

Javel.

La solution d’hypochlorite à 10 g/l sera préparée dans une cuve agitée de 250 litres. Pour un

taux de traitement de 1 g/m 3

(débit de 2,2 l/h), l’autonomie de la préparation sera d’une

semaine.

Il faudra disposer d’une pompe doseuse d’environ 3 l/h. L’injection s’effectuera en charge sur

la conduite d’eau refoulée

2.8 Métrologie

2.8.1 Comptage

Il nous parait indispensable de disposer trois compteurs sur l’usine de production au niveau :

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- de l’eau brute,

- de l’eau de lavage

- de l’eau refoulée

2.8.2 Analyseurs

Afin de maîtriser la clarification, le conducteur d’usine devra disposer :

- d’un turbidimètre

- d’un pH-mètre

Il devra également contrôler son résiduel de chlore à la mise en distribution. Il faudra pour

cela qu’il soit équipé d’un analyseur de chlore portatif type « pocket chlore » de chez Hach

Lange.

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3 CONCLUSIONS

La future station de traitement de Diawara pourrait ressembler au plan de masse schématisé

ci-dessous :

1,2 m

Coagulant

2 m3

HTH

250 l

Air de

lavage

Chaux

Eau de

lavage

Raquettes perforées

TP

1,2 m

Coagulant

2 m3

HTH

250 l

Air de

lavage

Chaux

Eau de

lavage

Raquettes perforées

TP

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Cette usine a été dimensionnée en tenant compte des paramètres suivants :

- la forte variabilité de la qualité de l’eau du fleuve Sénégal,

- des turbidités pouvant dépasser plusieurs milliers de FNU

- la minimisation du nombre d’équipements électromécaniques

- la facilité d’extension

Pour cela, nous avons proposé une coagulation - floculation statique avec si possible

l’utilisation d’un polychlorure d’aluminium comme coagulant, une décantation « couloir »

permettant de supporter les fortes charges en matières en suspension et une filtration sur

plusieurs filtres en parallèle pouvant fonctionner avec un filtre en lavage utilisant l’eau

produite par les autres filtres (absence de pompe d’eau de lavage).

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