Memotec n 16 REVISION A DATE : 01/01/2006

www.gls.fr L'limination du fer et du manganse dans l'eau

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PRESENCE DU FER ET DU MANGANESE DANS L'EAU

Le fer est un des mtaux les plus abondants de la crote terrestre. Il est prsent dans leau sous trois formes : le fer ferreux Fe2+, le fer ferrique Fe3+ et le fer complex des matires organiques (acides humiques, fulviques, tanniques, ) et minrales (silicates, phosphates, ). Dans les eaux bien ares, le fer ferreux est oxyd en fer ferrique qui prcipite sous forme dhydroxyde, Fe(OH)3. Dans les eaux souterraines, au contraire, labsence doxygne fait que le fer reste en solution. La prsence du fer dans leau provient principalement : du lessivage des sols, avec dissolution des roches et minerais, des rejets industriels, de la corrosion des canalisations mtalliques, et de lutilisation de sels ferriques comme coagulants. Le manganse est prsent, en quantit moindre que le fer, dans les roches. Son origine dans leau provient essentiellement de la dissolution des roches, et dventuels rejets industriels.

EFFETS ET NUISANCES

Le fer est un oligolment indispensable, ltat de trace, la sant humaine. Des concentrations en fer, mme leves, ne constituent pas de risques pour la sant humaine. Les nuisances lies la prsence de fer dans leau sont :

o la neutralisation dune partie des dsinfectants due loxydation du fer ; o la distribution dune eau couleur rouille, esthtiquement peu engageante pour le consommateur, et qui peut tacher le linge

et les sanitaires ; o le got "mtallique" procurer leau ; o le risque de corrosion des canalisations d au dveloppement de micro-organismes (ferrobactries).

Tout comme le fer, le manganse ne prsente pas de risques pour la sant humaine. Les inconvnients sont identiques ceux du fer : problmes organoleptiques (couleurs, gots), taches sur le linge, et risque de dveloppements bactriens.

REGLEMENTATION

La directive europenne 98/83/CE du 03 Novembre 1998 et sa transposition en droit franais par le dcret n2001-1220 du 20 dcembre 2001, codifi en 2003 dans le code de la sant publique (voir Memotec n12), fixent comme rfrence de qualit une concentration en fer total de 0,2 mg/l, et de 0,05 mg/l pour le manganse. LOMS prescrit, comme valeur-guide, une concentration en fer gale 0,3 mg/l, et de 0,1 mg/l pour le manganse.

TECHNIQUES DELIMINATION ENVISAGEABLES POUR LE FER Loxydation chimique

A pH > 4, le fer dissous est prsent sous forme de fer ferreux. Il suffit de loxyder en fer ferrique pour quil prcipite. Cette oxydation est possible en ralisant une simple aration, selon la raction ci-contre.

4 Fe2+ + O2 + 8 OH- + 2 H2O 4 Fe(OH)3

Cette tape permet dliminer galement lH2S et le CO2 agressif, lorsquelle est ralise latmosphre. Les diffrentes techniques doxydation sont :

o le ruissellement en nappe mince au contact de lair ; o la pulvrisation de leau en atmosphre plus ou moins oxygne (buses, arateurs de surface) ; o la diffusion de gaz surpresss (air, oxygne ou air ozon) ; o le barbotage avec de lair au sein dune masse catalytique (pouzzolane).

La raction doxydation est dautant plus rapide que le pH est plus lev et que leau est plus proche de la saturation en oxygne. Par contre la prsence de matires organiques, ou de tout autre lment complexant, retarde la raction, ncessitant alors un traitement complmentaire, consistant, soit en une injection dun oxydant puissant, permanganate de potassium, ozone (voir Memotec n29), soit en une coagulation si les prcipit obtenus sont trs fins, risquant de ce fait de ne pas tre retenus au niveau de la filtration. Pour les cas difficiles, la filtration peut tre du type bicouche (anthracite + sable).

Tour d'oxydationP Filtre

Eau traiter

Air

Eau de lavage Eau traite

Air de dtassage

Figure 1

Le procd physico-chimique le plus classique (figure 1) consiste en une installation fonctionnant sous-pression, comportant en amont de la filtration, une tour doxydation remplie de pouzzolane qui procure une grande surface de contact. Remarque : pour des eaux contenant plus de 7 mg/l de fer, il doit tre interpos une tape de dcantation entre laration et la filtration.

Traitement associ une dcarbonatation

Fe2+ + Ca(OH)2 Ca2+ + Fe(OH)2

2 Fe(OH)2 + H2O + O2 2 Fe(OH)3

Pour des eaux prsentant un TAC notable, lion Fe2+ se prsente essentiellement ltat de bicarbonate. Si leau ncessite galement un adoucissement partiel par dcarbonatation la chaux (voir Memotec n6), llvation du pH entranera la prcipitation du fer dissous, suivant les ractions ci-contre.

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Loxydation biologique

Certaines bactries spcifiques (ferrobactries), tirent leur nergie de loxydation du fer pour leur dveloppement. Pour cela toutes les conditions doivent tre runies : teneur en oxygne, pH, temprature de leau, potentiel redox Ces bactries sont autotrophes, cest dire que leur source de carbone est minrale (HCO3-, CO2).

4 Fe2+ + O2 + 10 H2O 4 Fe(OH)3 + 8 H+

Cette dferrisation est ralise dans des filtres sable, dont le mdia est colonis par les souches bactriennes spcifiques du fer. Un apport doxygne, plus ou moins important en fonction du pH, est ralis en amont du filtre, afin de favoriser le dveloppement des bactries, et en aval, pour revenir un taux doxygne normal dans leau aprs consommation par les bactries.

TECHNIQUES DELIMINATION ENVISAGEABLES POUR LE MANGANESE

Oxydation chimique par le permanganate de potassium

Contrairement au fer, loxydation du manganse par lair nest pas possible car la raction est trs lente. On doit recourir un oxydant plus puissant, comme le permanganate de potassium (KMnO4). Le dioxyde de manganse form suivant la raction ci-contre, est insoluble.

3 Mn2+ + 2 MnO4- + 2 H2O 5 MnO2 + 4 H+

Une partie de loxyde de manganse se fixe sur le sable, et sert ensuite de catalyseur la raction doxydation du manganse, ce qui permet de diminuer la dose de permanganate injecter. La dose de permanganate de potassium ne doit pas tre introduite en excs, car cela entranerait la coloration rose de leau. Oxydation catalytique sur dioxyde de manganse naturel

Le dioxyde de manganse naturel est un produit agr pour lutilisation en traitement des eaux destines la consommation humaine. Du chlore, inject en amont du filtre, oxyde le dioxyde de manganse en permanganate. Le permanganate oxyde son tour le manganse, et le dioxyde de manganse ainsi form se dpose sur le mdia.

Dmanganisation biologique

La prsence de manganse dans leau, associe des conditions favorables leur dveloppement (teneur en oxygne, pH, temprature de leau, potentiel redox), permet le dveloppement de bactries spcifiques tirant leur nergie de la raction doxydation du manganse, ci-contre. Les principales bactries utilisant le manganse sont htrotrophes, c'est--dire que leur source de carbone est organique. Afin dobtenir des conditions idales au dveloppement bactrien, on injecte de lair (50 90% de la saturation) en amont du filtre sable, le mdia servant de support au dveloppement bactrien. Ces microorganismes consommant de loxygne, il est donc ncessaire de rinjecter de lair en aval du filtre.

CONCLUSION

Si leau contient du fer et du manganse, leur limination peut seffectuer : o soit en utilisant le procd physico-chimique de dferrisation (figure 1), en injectant, en aval de la tour doxydation, du

permanganate de potassium ; o soit par voie biologique, en installant en srie les filtres de dferrisation et de dmanganisation, le traitement simultan

dans un seul filtre tant impossible, du fait que les bactries impliques sont diffrentes, et quelles ncessitent des conditions de dveloppement spcifiques.

Les procds biologiques sont intressants tout point de vue, comparativement aux traitements physico-chimiques (tableau 1), mais toutes les conditions doivent tre runies pour assurer le dveloppement des bactries spcifiques. On doit sinon faire appel une oxydation chimique. Loxydation chimique du fer, lorsquil nest pas complex la matire organique, est beaucoup plus facile effectuer que loxydation chimique du manganse, car elle peut tre ralise grce une simple aration. Pour le manganse, loxydation catalytique est une alternative intressante loxydation classique par le permanganate de potassium.

COMPARATIF DES TRAITEMENTS PARAMETRE BIOLOGIQUE PHYSICO-CHIMIQUE

Vitesse doxydation Rapide Ncessite une tour doxydation

Ractifs Absence Ncessit soit dun oxydant,

soit dun coagulant + floculant

Capacit de rtention Importante

Environ 5 fois moindre Ncessit de filtres bi-couches pour des

concentrations leves Vitesse de filtration leve 30 m/h et plus 7 10 m/h Consommation deau de lavage Faible 5 fois plus leves

Qualit des boues Concentres, facilitant dautant la dshydratation Faible concentration

Tableau 1

Mn2+ + O2 + H2O MnO2 + 2 H+

2 MnO2 + 3 HClO + 5 OH- 2 MnO4- + 3 Cl- + 4 H2O