Traitement des eaux de consommation – L2 S4 Correction de l’évaluation finale du 7 avril 2010 Enoncé On veut traiter l’eau destinée à la consommation d’une ville de 100 000 habitants. Le besoin est estimé à 150 L d’eau/jour/habitant. Il a été décidé que la station de traitement fonctionnera 22 heures/jour. L’eau provient d’un lac et sa qualité est la suivante : Température : 20 °C Turbidité : 12 NTU Couleur : 50 mg/L Pt Algues : 5 000 microalgues/mL pH : 6,1 TAC (HCO3-): 5 °F Cl-: 11 mg/L SO42-: 15 mg/L NO3-: 25 mg/L SiO32-: 11 mg/L Ca2+ : 20 mg/L Mg2+ : 5 mg/L Na+: 15 mg/L K+: 8 mg/L Fe2+: 0,2 mg/L Mn2+: 0,05 mg/L Après détermination des doses de réactifs à injecter par Jar-test, la filière de traitement retenue est la suivante: 1. Dégazage de 40 mg/L de CO2 dans une cascade 2. Pré-oxydation au chlore à 15 g/m3 3. Dosage de chaux éteinte Ca(OH)2 pour régulation de pH à raison de 20 g/m3 4. Coagulation avec du chlorure ferrique FeCl3 à raison de 50 g/m3 5. Décantation sur décanteur PULSATUBE à la vitesse ascensionnelle de 4 m/h 6. Filtration rapide sur sable à 6 m/h (sur filtre gravitaire) avec une hauteur de sable de 1,2 m 7. Désinfection finale au chlore à raison de 2,3 g/m3 8. Injection finale de chaux pour mise à l’équilibre calco-carbonique Questions 1. Calculer le besoin journalier de production (en m3/jour) et déduisez-en le débit horaire de traitement (en m3/h). Le débit journalier est de 100 000 x 150 /1000 = 15 000 m3/jour. La station fonctionnera 22 h/j donc le débit horaire sera de 15 000 /22 = 682 m3/h. Il convient de noter que ce calcul ne tient pas compte des pertes en eau de la station de traitement (eau de lavage des filtres et évacuation des boues du décanteur) qu’il faudrait normalement comptabiliser (env. 5%, ce qui ramènerai le besoin journalier à 15 750 m3/jour). Année 2009-2010 L2 S4 – traitement des eaux de consommation Enseignant : O. BOUSIGE 2. A l’aide de la formule apprise en chimie des eaux, calculer la quantité de CO2 libre dissous dans l’eau avant et après dégazage. Déduisez en la valeur du pH de l’eau après dégazage. (rappel : à 20°C, PK1=6,39) Pour calculer le de CO2 libre initial, on utilise la formule suivante : 𝑚𝑔 𝐶𝑂2 ( 𝐿 ) 𝑇𝐴𝐶 (°𝐹) 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾1 + 𝑙𝑜𝑔 − 𝑙𝑜𝑔 5000 44000 On a donc : 𝑚𝑔 ) 𝐿 = 𝑝𝐾1 + 𝑙𝑜𝑔 𝑚𝑔 ) 𝐿 = 6, 367 + 𝑙𝑜𝑔 𝑙𝑜𝑔 𝐶𝑂2 ( 𝑙𝑜𝑔 𝐶𝑂2 ( 𝑇𝐴𝐶 (°𝐹) 5000 + 𝑙𝑜𝑔 44000 − 𝑝𝐻 5 + 5000 𝑙𝑜𝑔 44000 − 6,1 = 1,9 Soit (CO2 ) = 79 mg/L Après dégazage, il ne reste plus que 39 mg/L de CO2 libre. En utilisant la même formule on obtient : 𝑚𝑔 𝐶𝑂2 ( 𝐿 ) 𝑇𝐴𝐶 (°𝐹) 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾1 + 𝑙𝑜𝑔 − 𝑙𝑜𝑔 5000 44000 Donc 𝑝𝐻 = 6,39 + 𝑙𝑜𝑔 5 − 5000 39 𝑙𝑜𝑔 44000 Soit pH = 6,45 3. Le chlore est fourni sous-forme d’eau de javel à 35°Cl. Calculer la concentration de cette eau de javel en chlore actif (CA) et déduisez-en le débit des pompes doseuses d’eau de javel pour la préchloration et la désinfection (rappel : 1°Cl=3,17 g/L de CA). L’eau de javel est concentré à 35 x 3,17 = 111 g/L de CA. Pour la pré-oxydation : Il faut injecter 15 x 682 = 10 230 g/h de CA, ce qui correspond à un débit horaire d’eau de javel de 10 230 /111 = 92,2 L/h. Pour la désinfection : Il faut injecter 2,3 x 682 = 1569 g/h de CA, ce qui correspond à un débit horaire d’eau de javel de 1569 /111 = 14,1 L/h. 4. 5. Calculer les valeurs de CO2 libre, TAC et pH de l’eau après injection de la chaux On a injecté 20 mg/L de chaux éteinte, ce qui correspond à 20/7,4 = 2,7°F de chaux. On sait que 1°F de chaux neutralise 8,8 mg/L de CO 2 et augmente le TAC de 1°F. On obtient donc que : Le CO2 neutralisé est de 2,7 x 8,8 = 23,76 mg/L et qu’il reste dans l’eau 39 – 23,76 = 15,24 mg/L de CO2 libre. Le TAC à augmenté de 2,7 °F et donc TAC = 7,7°F. Avec la formule utilisée en question 2) on trouve que le pH = 7,04. Le chlorure ferrique est fourni en liquide concentré à 41%, soit 594 g/L. Calculer le débit des pompes doseuses de FeCl3. Il faut injecter 50 x 682 = 34 100 g/h de FeCl3, ce qui correspond à un débit horaire de 34 100/594 = 57,4 L/h. 6. De quel type de décanteur fait partie le PULSATUBE ? Calculer la surface du décanteur PULSATUBE. Le PULSATUBE fait partie des décanteurs à lit de boue pulsé (ou suspendu). La surfaceS du décanteur PULSATUBE est le quotient du débit horaire à traiter par la vitesse ascensionnelle (ou débit surfacique), soit S = 682/4 = 170,5 m2. Année 2009-2010 L2 S4 – traitement des eaux de consommation Enseignant : O. BOUSIGE 7. On décide de construire 4 filtres à sable gravitaires : quelle sera leur surface ? La vitesse de passage (ou débit surfacique) sur le sable est de 6 m/h. la surface de filtration est donc de 682/6 = 113,6 m2. On souhaite 4 filtres, donc chacun aura une surface de 28,4 m2. 8. Quelle doit être la valeur maximale des MeS en sortie de décanteur pour qu’on ne lave les filtres à sable qu’une fois par jour ? On prendra la valeur de 1500 g MeS/m3 de sable comme capacité de rétention des filtres et on supposera que la perte de charge admissible est suffisante pour que le sable soit intégralement utilisé. Le volume total de sable est de 1,2 x 113,6 = 136,32 m3. Les filtres auront donc une capacité de rétention des MeS totale de 136,32 x 1500 = 204 480 g MeS. On souhaite ne laver les filtres qu’une fois par jour, il faut donc qu’un cycle de filtration soit de 15 000 m3 d’eau avant lavage (pour les 4 filtres, soit 3 750 m3 d’eau par filtre). La concentration maximale admissible en MeS en sortie de décanteur est donc de 201 480 / 15 000 = 13,6 g MeS /m3 d’eau. 9. Quels seront les débits d’air et d’eau de lavage des filtres pendant chaque phase de lavage ? Phase 1 – air seul : le débit d’air Qair est compris entre 50 et 60 m3/h/m2 de surface de filtrante, soit 1420 < Qair < 1704 m3/h Phase 2 – air + eau seul : le débit d’eau Qeau est compris entre 5 et7 m3/h/m2 de surface de filtrante, soit 140 < Qeau < 198 m3/h (Qair est inchangé) Phase 3 – eau seule : le débit d’eau Qeau est de 20 m3/h/m2 de surface de filtrante, soit Qeau = 568 m3/h 10. L’injection de FeCl3 a généré la production de CO2 libre par Transformation du TAC (HCO3-), ce qui a fait chuter le pH de l’eau à environ 6. Après cette étape, le TAC de l’eau n’est plus que de 3,1°F et le CO2 libre vaut 54,3 mg/L (dont 51 mg/L de CO2 agressif par rapport à la chaux éteinte). Calculer la dose de chaux (en °F puis en mg/L) nécessaire pour la mise à l’équilibre calco-carbonique de l’eau. Quels seront les valeurs de CO2, pH et TAC finales ? Il faut neutraliser les 51 mg/L de de CO2 agressif par rapport à la chaux éteinte. Pour cela, nous aurons besoin de 51/8,8=5,8°F de chaux éteinte, soit 5,8 x 7,4 = 42,9 mg/L de chaux éteinte. Le TAC final sera donc de 3,1 + 5,8 = 8,9°F et le CO2 final de 54,3 – 51 = 3,3 mg/L. Avec la formule utilisée en 2), on calcule que le pH final = 7,8 env. 11. Pensez-vous que la décantation soit le meilleur procédé de clarification pour l’eau de ce lac ? si non, quel procédé proposeriez-vous ? justifiez votre réponse. Quand on regarde l’analyse d’eau brute, on remarque que l’eau n’est que moyennement turbide mais qu’elle est fortement colorée et riche en algues. Il est difficile de former un floc lourd et consistant (apte à une bonne décantation) avec ce type d’eau. Il conviendrait de faire des essais de flottation en laboratoire pour déterminer si la flottation ne serait pas un meilleur procédé de clarification dans ce cas. Année 2009-2010 L2 S4 – traitement des eaux de consommation Enseignant : O. BOUSIGE
