la clarification

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La clarification est l'ensemble des opérations qui permettent d'éliminer les MES (minérales et organiques) d'une eau brute ainsi qu'une partie des matières organiques dissoutes (fraction "floculable").

Suivant les concentrations de l'un et l'autre des différents polluants, on peut être amené à pratiquer des opérations de plus en plus complexes qui vont de la simple filtration avec ou sans réactif jusqu'à la coagulation –floculation – décantation ou flottation – filtration.

Pour reprendre la classification établie dans la figure 2, nous allons citer dans ce qui suit quelques exemples typiques des solutions les plus représentatives, tout en rappelant que les filières décrites seront suivies d’un affinage éventuel (voir la section l'affinage: élimination des matières organiques) et dans tous les cas d’une désinfection (voir la section la désinfection).

filtration sans réactifs (figure 2 – ligne 2)

Eau ne contenant que quelques matières en suspension (MES), non colloïdales (cas très rare en eaux de surface) ; le traitement est alors une filtration directe sans réactifs, éventuellement précédée par une préoxydation (chlore, ozone). La préchloration, nous l'avons vu, tend de plus en plus à être abandonnée au profit de la préozonation et l'étape de préoxydation à l'ozone est généralement associée à une coagulation. Une filtration sans réactifs n'est d'ailleurs plus concevable en général dans les pays soumis aux normes européennes ou OMS, sauf dans le cas particulier de la filtration lente (voir la section historique et caractères généraux).

A l'heure actuelle l'efficacité des membranes conduit les traiteurs d'eau à proposer de plus en plus souvent des membranes d'ultrafiltration pour se substituer à la filtration sur sable ou sur bi-couche. Rouen (1000 m³/h) en est le parfait exemple : sur des eaux karstiques et malgré des variations importantes de qualité (1 à 150 NTU), la turbidité de l'eau traitée reste constamment inférieure à 0,1 NTU et ceci sans se préoccuper d'un ajustement de la dose de coagulant car aucun réactif n'est nécessaire (voir figure 3).

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Figure 3. Rouen – Usine de la Jatte. Ultrafiltration. Débit de 24 000 m3 · j–1

Ce type d'installation (voir photo 3) est parfaitement adapté aux ressources karstiques, eaux de lac et usines de faible capacité car il permet de produire une eau constamment conforme aux normes de turbidité et microbiologie les plus sévères sans requérir la présence d'un personnel hautement qualifié. Facilement automatisables, ces systèmes pilotés par un turbidimètre peuvent passer automatiquement d’une filtration frontale (turbidité normale faible) à une filtration tangentielle (pointes de turbidité), voir les sections séparation par membranes, systèmes utilisant des membranes de clarification et ucd (unité compacte degremont®).

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Photo 3. Installation de Méribel (73) – Débit : 1 300 m3.j-1

coagulation, puis filtration (voir figure 3 - ligne 3)

Eau présentant une légère turbidité colloïdale, et/ou légèrement colorée, et/ou ne contenant pas plus de 1000 à 2500 microalgues par mL (voisine de la qualité A1 définie par le décret français 2001-1220) ; par rapport au schéma précédent, on ajoute alors un coagulant et éventuellement un floculant. Les doses utilisées doivent être faibles, car ces réactifs diminuent la durée des cycles de filtration entre deux lavages (voir tableau C). Le coagulant permettra en outre d'éliminer une certaine proportion des matières organiques. Mais il faut attirer l'attention sur le fait qu'une eau peu turbide, mais très colorée ou chargée en algues, ne pourra être suffisamment traitée par ce procédé : on devra faire appel à des doses élevées de coagulant et donc utiliser une étape de décantation ou flottation.

Cette technique, apparemment simple, peut connaître diverses variantes de mise en œuvre, sur des filtres à une ou plusieurs couches.

coagulation sur filtre

Encore appelée filtration de contact (in line filtration ou contact filtration en anglais), elle correspond à la mise en œuvre la plus simple : le coagulant est injecté en ligne (mélange statique…), sans bassins de coagulation ni de floculation. Dans certains cas, surtout en eau froide, on peut rajouter un mélangeur rapide (flash mixer) entre l’injection des réactifs et la filtration ; l’eau arrive ainsi coagulée sur les filtres, mais la floculation n’est terminée que dans les couches supérieures du sable.

Des exemples sont donnés par les installations de l'Asseiceira (Lisbonne), 500 000 m³/j ; Sydney (voir figure 44 à la section neutralisation et/ou reminéralisation), 3 000 000 m³/j ; Roberval (Canada), 9 600 m³/j où le rôle de la préoxydation par l'ozone est prépondérant ; en effet, elle permet dans cette dernière :

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Figure 4. Schéma général de l’installation du lac Saint-Jean à Roberval (Canada) – Débit : 9 600 m3 · j–1
  • la destruction du complexe organo-métallique liant le fer et/ou le manganèse à la matière organique,
  • l'oxydation de ce fer, et de ce manganèse si la concentration en matières organiques n'est pas trop élevée,
  • la formation d'un floc susceptible d'être retenu par filtration,

floculation-filtration

Dans la filtration directe après floculation (Direct filtration en anglais),la filtration est précédée d'un ou plusieurs mélangeurs rapides (temps de contact de l'ordre de la minute) et d'un ou plusieurs ouvrages de contact faisant office soit de floculateur, soit de réacteur intermédiaire assurant un intervalle de temps entre les injections des réactifs (ex. station de Sydney (photo 4) – voir aussi les sections filtration sur lit granulaire et filtres à sable aquazur)

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Photo 4. Installation de Sydney (Australie) – Débit : 3 000 000 m3 · j–1

Ce type d'installation doit être particulièrement recommandé pour la filtration directe de toutes les eaux dont la température est susceptible de s'abaisser au-dessous de 10°C et/ou surtout dans les cas où de nombreux réactifs sont nécessaires.

Néanmoins l'optimisation des différents paramètres peut nécessiter des essais pilotes de longue durée afin de choisir :

  • le coagulant minéral et/ou organique (suivant la réglementation locale),
  • le pH optimal,
  • souvent un adjuvant organique, afin d'optimiser la filtrabilité du floc,
  • la taille effective du/ou des matériau(x) filtrant(s),
  • la hauteur de(s) matériau(x) filtrant(s),
  • la vitesse maximale.

Il est alors possible de donner des garanties difficiles à obtenir comme l’illustre le tableau 2 (résultats obtenus sur l’installation de Sydney).

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Tableau 2. Résultats obtenus sur l’installation de Sydney

double filtration

Dans cette filière on dispose deux filtrations en série, dont la première met en œuvre un matériau (sable ou biolite) de T.E. élevée qui sert de dégrossisseur pour la seconde, conçue avec un matériau fin (sable) ou avec un milieu bicouche . Cette technique permet de traiter sans décantation (en utilisant moins de réactifs) des eaux plus chargées que ce qui est admissible pour une filtration directe en un stade, comme dans le cas de la station d’Alégria (Açores) photo 5 ; les matières organiques sont cependant moins bien éliminées que dans le cas d'un traitement complet par décantation-filtration.

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Photo 5. Installation d’Alégria (Açores) – Débit 86 000 m3 · j–1

modalités et limites d'application

Le tableau 3 regroupe les valeurs maximales indiquées pour différents critères d'eau brute ; on pourra prendre en considération :

  • le premier chiffre lorsque toutes les caractéristiques défavorables existent simultanément,
  • le second chiffre lorsque le paramètre considéré est le seul en cause et ne représente qu'une valeur de pointe de durée limitée.

Si ces valeurs maximales représentent un caractère quasi-permanent de l'eau brute, des essais préliminaires sont nécessaires.

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Tableau 3. Modalités et limites habituelles d’application de la filtration directe

traitement complet de clarification (figure 2 – ligne 4)

Cette filière doit être appliquée à toutes les eaux dont les caractéristiques de turbidité, couleur, MES, algues, oxydabilité, dépassent les valeurs indiquées dans le tableau (C) ci-avant, sans toutefois présenter de pollution notable (voisine de la qualité A2 suivant le décret français 2001-1220, annexe I – 3).

filières comportant une décantation

C'est de loin le type de traitement le plus fréquemment appliqué : l'étape de séparation solide-liquide par décantation intervient après l'introduction des réactifs de coagulation-floculation et avant la filtration, pour éliminer la majeure partie du floc formé et permettre ainsi un fonctionnement normal des filtres.

a) Si la teneur en MES de l'eau brute est toujours inférieure à une valeur de l'ordre de 1 à 2 g/L (suivant leur taille), on peut choisir des décanteurs à contact de boues et/ou lamellaires, après un prétraitement approprié (voir dégrillage-tamisage) comme sur la station d’Alger (540 000 m³/j) qui comporte 6 décanteurs Pulsatube et des filtres Aquazur V (photo 6).

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Photo 6. Installation de Boudouaou (Alger) – Débit : 540 000 m3 · j–1

b) Lorsque les MES sont susceptibles de dépasser 2 g/L au moins une partie de l'année :

  • de 2 g/L à 5 g/L : suivant le cas, on utilisera soit des décanteurs statiques raclés en un seul stade (vitesse comprise entre 1 et 2 m3 · j–1) comme sur la station de Mossul – Iraq (207 000 m³/j) (figure 5) soit un débourbeur (voir la section les décanteurs statiques) suivi d'un décanteur statique ou lamellaire ou à contact de boues.
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Figure 5. Mossul (Iraq) – Débit : 207 300 m3 · j–1
  • plus de 5 g/L : un décanteur unique risquerait d’être engorgé par un volume excessif de boues et c’est obligatoirement le domaine de la décantation en 2 stades, comme à la station de La Florida (Chili) qui comprend un stade de prédécantation-débourbage (ici sur des Turbocirculator) suivi d'un stade de décantation principale (Pulsator) (figure 6 et photo 7).
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Figure 6. La Florida (Chili) – Débit : 345 600 m3 · j–1
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Photo 7. Les débourbeurs de l’installation de La Florida (Chili) – Débit : 345 600 m3 · j–1

Cependant, ce domaine comporte lui aussi une limite supérieure de teneur en MES, au-dessus de laquelle la demande en réactifs devient prohibitive et le volume des boues formées trop important pour qu'on puisse l'extraire et pour qu'on puisse obtenir un débit suffisant d'eau claire. En général, il s'avère très difficile de faire fonctionner une installation lorsque les MES dans l'eau brute dépassent 40 à 50 g/L (alors que certaines eaux peuvent présenter en pointe des teneurs en MES de près de 200 g/L). Dans ce cas, il faut estimer soigneusement le débit de boues à extraire et avoir déterminé en conséquence le débit d'eau brute nécessaire pour obtenir un certain débit d'eau traitée : en effet, la concentration des boues obtenues à partir de ces eaux très chargées varie de moins de 100 g/L à plus de 400 g/L, suivant la nature des MES et le traitement appliqué. En cas de besoin, une réserve d’eau brute peut être constituée en amont de la station pour les périodes d’eaux trop chargées.

Un débourbeur fonctionne à une charge hydraulique comprise entre 1,5 et 10 m³/h.m², suivant la charge en MES et le traitement chimique appliqué (voir la section les décanteurs statiques lamellaires). Un tel appareil, pour être efficace, ne doit pas être considéré comme un organe de dessablage : s’il y a du sable en quantité notable, il faut placer un dessableur préalable (voir le domaine d'application) présentant un pouvoir de coupure de 0,15 à 0,3 mm pour ne pas endommager le dispositif de raclage.

Toutes les fois qu'une station comporte 2 stades de décantation, on a intérêt à pratiquer la technique de la double floculation (introduction de réactifs en amont de chaque décantation) qui permet des économies parfois spectaculaires. Cette double floculation doit être pratiquée suivant des modalités adaptées à chaque cas, en fonction de la nature et des valeurs maximales prévisibles des MES :

  • dans les eaux les moins chargées, celle-ci peut n'être qu'un simple partage de la dose de coagulant minéral entre la prédécantation et la décantation principale ;
  • dans les eaux dont les MES avoisinent 5 g · L-1, le meilleur résultat est souvent obtenu par l'application d'un polyélectrolyte cationique dans le débourbeur. Par exemple sur une installation au Costa Rica : avec des MES variant rapidement entre 50 mg · L-1 et 5 mg · L-1 dans l’eau brute, l’injection permanente de 1,5 g · m³ d’un tel polymère dans le débourbeur, fonctionnant à une vitesse de 3,5 mg · L-1, a permis d’obtenir une qualité d’eau prédécantée sensiblement constante et de maintenir entre 30 et 40 g · m³ le taux de traitement en sulfate d’alumine appliqué au pulsator utilisé en décantation principale ;
  • pour des taux de MES supérieurs (10 g · L-1 et davantage) : c'est un polymère anionique qui doit être appliqué en tête, et le débourbeur doit être calculé comme un épaississeur de boues.

Dans tous les cas, l'objectif du premier stade de traitement n'est pas d'obtenir une eau de qualité parfaite : en effet, le décanteur qui vient à l'aval est souvent plus efficace sur une eau moyennement chargée (200 à 500 mg · L-1) que sur une eau qui serait pauvre en MES (< 50 mg · L-1).

Le tableau 4 récapitule les critères de choix sur lesquels on peut se baser pour concevoir une filière de clarification multi-étagée en fonction du taux de MES de l'eau brute.

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Tableau 4. Récapitulation des procédés de clarification (si présence d’algues et de couleur non significative) pour le choix d’une filière (si présence d’algues et de couleur non significative

cas d'application de la flottation

Dès les années 60, la flottation s'est développée en Scandinavie afin d'alimenter les villes en eau potable et certaines industries (papeteries en particulier) en eau de fabrication, à partir d'eaux de lacs généralement froides, colorées, mais peu turbides.

Son emploi s'est répandu, à partir des années 70, dans divers autres pays (Angleterre, Belgique, France, Afrique du Sud, etc…) pour traiter les eaux superficielles dont la charge argileuse est faible et qui, par contre, sont riches en algues, couleur, acides humiques ou autres matières organiques. Cette technique permet :

  • de grandes vitesses de séparation des phases solide et liquide (entre 7 et 35 m · h-1 suivant la technologie adoptée, voir la section les "flottateurs")
  • une grande souplesse d'utilisation (facilité d'arrêt et de remise en route)
  • l’emploi d’une quantité minimale de réactif floculant.
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Photo 8. Installation de flottation de Pontsticill (Grande-Bretagne) – Débit : 105 000 m3 · j–1

Le domaine préférentiel d'application de cette technique concerne donc les eaux qui présentent régulièrement des teneurs en algues supérieures à 2 500 organismes par mL et/ou une couleur supérieure à environ 40 ppm Pt-Co, tout en ne présentant jamais une turbidité supérieure à 40 NTU ou des MES supérieures à 25-30 mg · L-1 (à moins que les valeurs élevées ne soient que passagères et que l'on ait prévu un nettoyage facile du fond des flottateurs).

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Figure 7. Manaus (Brésil) – Débit : 285 000 m3 · j–1

Il faut cependant se souvenir que :

  • la flottation à air dissous consomme plus d'énergie que la décantation (40 à 80 Wh/m3 d'eau, contre moins de 10 Wh/m3 pour la plupart des décanteurs),
  • ce procédé ne peut tolérer aucune panne mécanique de son circuit de pressurisation.

récapitulation des traitements de clarification

Le diagramme ci-après (figure 8), en récapitulant tout ce qui a été exposé dans ce sous-chapitre, propose des éléments de choix d'une filière de clarification en fonction de la turbidité, des MES, de la couleur et de la concentration en micro-algues planctoniques.

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Figure 8. Recommandations pour le choix d’une filière de clarification