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TECHNOLOGIES DE L’EAU - Alimentation en Eau Potable - 00AEP00 Bilan de la phase

TECHNOLOGIES DE L’EAU - Alimentation en Eau Potable - 00AEP00 Bilan de la phase 3 (2004-2005) Optimisation du procédé de clarification Utilisation des Polymères Cationiques Isabelle BAUDIN Jean-Michel RODRIGUES Sandrine HUET Etude financée par l'Agence de l'Eau Seine Normandie Décembre 2005 2 RESUME L’objectif global de l’étude est d’apporter une solution pour fiabiliser le procédé de clarification. L’intérêt potentiel des coagulants organiques cationiques est ainsi étudié, pour l’optimisation des performances de la clarification en terme d’élimination de la turbidité, des particules, mais aussi de la matière organique. Cette étude est menée par le CIRSEE depuis 2001 avec le support financier de l’AESN. Ce rapport fait la synthèse de la phase 3 du projet, couvrant la période d’essais menés en 2004 et 2005 en lien avec les sites de production de Maromme (coagulation sur filtres), Gamarde (coagulation sur filtres de premier et second étage) et Morsang (coagulation/décantation). Les polymères testés sont des EpiDMA et des PolyDADMAC, agréés en France pour l’eau potable depuis 2004, et commercialisés par SNF Floerger, avec monopole de ce fournisseur pour le marché français. Ces réactifs sont employés pour substituer une partie du sel métallique habituellement appliqué comme coagulant. Des essais de coagulation sur filtre et de coagulation/décantation ont été réalisés à l’échelle laboratoire pour déterminer les dosages optimaux des réactifs ; les meilleures combinaisons ont ensuite été testées sur pilote (site de Gamarde) ou à l’échelle industrielle (sites de Maromme et Morsang). CONCLUSION Des résultats générés en laboratoire, sur pilote et sur site durant cette phase de tests industriels, il est possible de tirer ces principales conclusions quant à l’intérêt de la mise en œuvre des polymères cationiques en clarification : Pour chacun des projets suivis, il s’avère que les conclusions tirées des essais en laboratoire ne peuvent être directement extrapolées aux performance attendues sur pilote ou sur site industriel. Les réactifs EpiDMA et PolyDADMAC, à taux de matière active équivalente, ont des performances comparables en élimination de turbidité et matières organiques. Un polymère de masse moléculaire moyenne est recommandé pour les applications en traitement d’eau de surface par coagulation/décantation, une masse plus élevée est préconisée pour le traitement d’eaux souterraines par coagulation sur filtres. En coagulation sur filtre (cas de Maromme) : ces réactifs, en alternative partielle au FeCl3, ont un intérêt dans l’allongement des cycle de filtration ; l’intérêt pressenti de ces polymères pour optimiser le traitement en période pluvieuse (ressource de qualité dégradée avec pointes de turbidité > 10 NFU et matières organiques) n’a pu être démontré durant cette période (qualité stable et bonne de la ressource durant la période 2004/2005). Un léger excès (0,2 ppm au lieu de 0,1 ppm) de polymère sur des eaux peu chargées en particule et matières organiques traitées par coagulation sur filtre (cas de Maromme) peut entraîner la formation de traces de NDMA sur eau traitée après chloration. En coagulation sur filtres premier étage (sable) et second étage (CAG) (site de Gamarde), les mélanges préparés de réactifs (sels d’Al et polymère cationique) vendus par SNF ont un intérêt technique et économique par rapport au coagulant minéral seul (WAC). Cet intérêt démontré en laboratoire doit être validé à échelle industrielle. En coagulation/décantation testé sur l’usine de Morsang, il n’y a pas d’intérêt technico- économique à remplacer partiellement le sulfate d’aluminium par un coagulant organique, en période estivale, quand la ressource est de bonne qualité et facile à traiter. L’intérêt potentiel des polymères cationiques pour traiter la ressource de qualité dégradée a été mise en évidence en laboratoire et sera testée sur site , en hiver, en 2006. Suite aux derniers essais sur le site de Morsang en 2006, la synthèse des résultats de l’ensemble du projet mené sur la période 2001/2005 sera établie, avec recommandations de mise en oeuvre de ces réactifs, avantages et limitations de ces réactifs, pour l’optimisation de la clarification appliquée aux eaux de surface ou aux eaux souterraines. MOTS CLES Clarification ; Coagulation ; Decantation ; Filtration ; Polymères cationiques ; PolyDADMAC ; EpiDMA. 3 SOMMAIRE 1 Introduction................................................................................................. 7 2 Cadre du projet .......................................................................................... 8 2.1 HISTORIQUE DU PROJET.......................................................................................... 8 2.2 LES POLYMERES ORGANIQUES DE SYNTHESE : APPROCHE BIBLIOGRAPHIQUE....... 9 2.2.1.....................Rappels sur le principe de la coagulation 9 2.3 AVANTAGES ET LIMITES DES POLYMERES ..............................................................12 3 Mise en œuvre des polymères cationiques sur sites...........14 4 Résultats des essais menés en 2004 sur le site de Maromme ...........................................................................................16 4.1 REACTIFS TESTES..................................................................................................16 4.2 OBJECTIF ...............................................................................................................16 4.3 METHODOLOGIE........................................................................................................16 4.4 PRESENTATION DE L’USINE...................................................................................17 4.5 SUIVI DU PROCESS ET DE LA QUALITE ................................................................19 4.6 PLANNING REALISE ................................................................................................21 4.7 RESULTATS SUIVI HYDRAULIQUE...........................................................................21 4.7.1...............................................................Résultats sans polymère 22 4.7.2...............................................................Résultats avec polymère 23 4.7.3Comparaison des performances de filtration avec ou sans p 4.8 RESULTATS : SUIVI QUALITE D’EAU ................................................................. 24 4.8.1............................................................................................. Suivi MON 24 4.8.2.................................................................Suivi micro-organismes 25 4.8.3Demande et cinétique de chlore sur l’eau filtrée CAG 26 4.8.4.......................................................... Suivi Sous produit : NDMA 28 4.8.5.........................................................................................Bilan rejet 29 4.9 CONCLUSION....................................................................................................... 30 5 Résultats des essais menés en 2005 sur le site de Gamarde (coagulation sur filtres sable et CAG) ..................................................................................................31 5.1 CONTEXTE ...............................................................................................................31 5.2 OBJECTIFS .............................................................................................................31 5.3 DESCRIPTION DES ESSAIS LABORATOIRE................................................. 33 5.3.1..................................................................... Filtration sur sable 33 5.3.2..........................................................................Filtration sur CAG 33 5.3.3....................................................................... Materiel et méthode 33 5.4 RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : DETERMINATION DES DOSES OPTIMALES DE COAGULANTS EN FILTRATION SUR SABLE ET CAG.................................................. 34 4 5.4.1...............................................................A.Test des « Mélanges » 34 5.4.1.1............................................. Coagulation sur filtre sable 34 5.4.1.2................................................. Coagulation sur filtre CAG 34 5.5 RESULTATS DES ESSAIS LABORATOIRE : TESTS DES COMBINAISONS DE REACTIFS : COAGULANT CATIONIQUE + COAGULANT MINERAL...................................................... 35 5.5.1.................................... Choix des doses de réactifs testées 35 5.5.2....................................................Coagulation sur filtre sable 35 5.5.3......................................................Coagulation sur Filtres CAG 37 5.6 RESULTATS : BILAN TECHNICO-ECONOMIQUE ...................................................... 37 5.7 RESULTATS DES ESSAIS PILOTE .......................................................................... 38 5.8 CONCLUSION .......................................................................................................... 39 6 Résultats menés en 2005 sur le site de Morsang (clarification par coagulation et décantation)............................................................................... 40 6.1 ESSAIS LABORATOIRE ........................................................................................... 40 6.1.1....................................................................... Planning des essais 40 6.1.2Protocole d’analyse pour l’évaluation de l’efficacité des 6.1.3Résultats d’analyses pour le choix du taux de traitement o 6.1.4Impact du traitement sur la performance des polymères 6.2 MISE EN PLACE SUR LA FILIERE DE TRAITEMENT ............................................ 45 6.2.1...........................................Planning des essais et objectifs 45 6.2.2................................................................................................Matériel 46 6.2.3................................................................................................Analyses 47 6.2.4.................................... Essais complémentaires en prévision 47 6.3 RESULTATS DES ESSAIS SUR SITE....................................................................... 47 6.3.1.................................... Evolution des paramètres de qualité 47 6.3.2Impact des polymères sur le colmatage des filtres à sable 6.3.3Impact des polymères sur la qualité/quantité de boues53 6.4 BILAN TECHNICO-ECONOMIQUE.............................................................................. 55 6.5 CONCLUSION .......................................................................................................... 56 7 Conclusion générale............................................................................... 57 8 Bibliographie............................................................................................. 59 5 TABLE DES ILLUSTRATIONS Tableaux Tableau 1 : Caractéristiques des trois tranches de la station de Morsang............................................15 Tableau 2 : Sites étudiés avec principales caractéristique (qualité d’eau et traitement)......................15 Tableau 3 : Caractéristiques des coagulants organiques employés lors des essais sur le site de Maromme ...............................................................................................................................16 Tableau 4 : Dose des réactifs en fonction de la qualité de l’eau brute .................................................17 Tableau 5 : Taux de réactifs FeCl3/Polymère appliqués sur l’usine de Maromme............................20 Tableau 6 : Planning des essais sur le site de Maromme ........................................................................21 Tableau 7 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 seul, sans ajout de Polymère. Suivi sur période 2004(semaines 27-53) et début 2005 (semaines 2-9) ........................................................................................................................22 Tableau 8 : Bilan des performances de filtration pour une production avec FeCl3 et ajout de Polymère. Suivi sur période 2004 (semaines 47/53) et début 2005 (semaine 7/8)..........................................................................................................................................23 Tableau 9 : Résultats des campagnes d’analyse de sous produits (NDMA et autres composés).....28 Tableau 10 : Caractéristiques des coagulants testés en coagulation sur filtre sur le site de Gamarde .................................................................................................................................32 Tableau 11 : Qualité de l’eau brute. Août 2005........................................................................................33 Tableau 12 : Qualité de l’eau filtrée sable, usine. Août 2005 .................................................................33 Tableau 13 : Bilan technico-économique des essais laboratoire............................................................38 Tableau 14 : Résultats de filtration sur pilote...........................................................................................39 Tableau 15 : Planning des essais laboratoire (jar test).............................................................................40 Tableau 16 : Abattement supplémentaire, en moyenne, des polymères cationiques comparés au sulfate seul, pour 30% de substitution et 1/10 de remplacement............................42 Tableau 17 : Résultats d’abattement à partir d’une eau préchlorée.......................................................43 Tableau 18 : Consignes de dosage en coagulant......................................................................................46 Tableau 19 : Planning des analyses effectuées sur la tranche 2 .............................................................47 Tableau 20 : Paramètres de l’eau brute pendant la période d’essais (valeurs moyennes)..................48 Tableau 21 : Comparaison des performances ..........................................................................................48 Tableau 22 : Concentration en aluminium dissous sur les tranches 1 et 2..........................................49 Tableau 23 : Moyennes des abattements des algues et bactéries...........................................................50 Tableau 24 : Temps et volumes d’eau passés pour un cycle de filtration (consigne à la perte de charge)................................................................................................................................52 Tableau 25 : Vitesses moyennes de montée en perte de charge............................................................53 Tableau 26 : Analyses des cohésions de boues du décanteur T2..........................................................55 Tableau 27 : Evaluation de l’économie de réactifs ..................................................................................55 Figures Figure 1 : Schéma de l’action combinée des coagulants minéraux et organiques...............................10 Figure 2 : Formule chimique du PolyDADMAC....................................................................................10 Figure 3 : Formule chimique de l’EpiDMA..............................................................................................10 Figure 4 : Distribution des masses moléculaires pour EpiDMA et polyDADMAC.........................11 Figure 5 : Schéma de l’usine de Maromme...............................................................................................19 Figure 6 : Schéma de l’usine de Maromme avec points de prélèvements et analyseurs....................20 Figure 7 : Exemple de suivi de uploads/Industriel/ 05aep06.pdf