traitement des eaux indust. et résiduaires

CHIMIE DES EAUX

Mme F. Dermouche

INTRODUCTION

"L'eau pourrait bientôt être plus convoitée que le pétrole" Ce constat d'un expert de l'Unesco sonne comme une mise en garde. Car l'accès à l'eau douce menace d'être le problème majeur du XXIe siècle. Aujourd'hui, une personne sur cinq, soit plus d'un milliard d'êtres humains, n'a pas accès à l'eau potable. Un manque croissant est déjà source de conflit. L'ONU recense environ 300 zones potentielles de conflits pour le contrôle de l'eau dans le monde. Pourtant la "planète bleue" ne manque pas de ressources. L'eau couvre les trois quarts de la surface de notre planète. Il s'agit essentiellement d'eau de mer (97,5%) et des glaces des pôles. L'eau douce liquide ne représente que 0,03% des réserves. L'eau ne disparaît pas mais elle ne se crée pas non plus et la demande d'eau ne fait qu'augmenter sur tous les continents. Le cycle de l'eau passe toujours par les mêmes phases (voir schéma):

Répartition des eaux douces & salées

Quatre grands réservoirs d’eau de l’hydrosphère ¾les mers et océans, ¾les eaux continentales (superficielles et souterraines), ¾l’atmosphère, ¾la biosphère, L’échange d’eau est permanent et forme le cycle externe de l’eau. Le moteur de ce cycle

le soleil

Grâce à l’énergie thermique qu’il rayonne, il active et maintient constamment les masses d’eau en mouvement. Ce cycle se divise en deux parties intimement liées : - une partie atmosphérique: circulation de l’eau dans l’atmosphère, sous forme de vapeur d’eau essentiellement, - une partie terrestre: écoulement de l’eau sur les continents, superficiel ou souterrain. La dynamique du cycle de l’eau: En moyenne sur l’année et sur l’ensemble du globe terrestre, 65% des précipitations arrivent à terre s’évaporent, 24% ruissellent et 11% s’infiltrent.

Cycle de l’eau stationnaire: Des échanges d’eau se produisent également entre l’hydrosphère et le manteau terrestre. Dans la haute atmosphère, des molécules d’eau sont constamment décomposées par les rayons ultraviolets solaires et l’ hydrogène ainsi créé, trop léger pour être retenu par la gravité, s’échappe dans l’univers. Mais ces phénomènes restent suffisamment négligeables pour que globalement la quantité totale d’eau dans l’hydrosphère reste constante : l’analyse des sédiments marins a en particulier révélé que le volume des eaux océaniques avait très peu varié depuis un milliard d’années. On peut donc considérer que le cycle de l’eau est stationnaire. Toute perte d’eau par l’une ou l’autre de ses parties, atmosphérique ou terrestre, est compensée par un gain d’eau par l’autre partie.

Le cycle naturel 1. L'évaporation : l'eau des océans, des rivières et des lacs s'évapore et monte dans l'atmosphère. 2. La condensation : dans l'atmosphère, la vapeur d'eau se condense en minuscules gouttelettes formant des nuages. 3. Les précipitations : les nuages déversent leur contenu sous forme de pluie, neige ou grêle. La majeure partie de l'eau tombe directement dans les océans. 4. Le ruissellement et l’infiltration: l’eau qui tombe sur les continents rejoint les torrents et rivières qui se jettent à leur tour dans les océans ou s’infiltre dans le sols et alimente les nappes phréatiques qui donneront naissance à des sources Et le cycle recommence… L’intervention humaine a. Les prélèvements : les activités humaines prélèvent l’eau dans les rivières ou dans les nappes et la traitent avant usage. b. Les usages : l’homme utilise l’eau pour des activités domestiques et industrielles. c. L’épuration : après usage, l’eau subit une épuration. d. Le rejet dans le milieu naturel : après épuration, l’eau retrouve le milieu naturel.

4 Phénomènes naturels entretiennent le cycle de l’eau

L’eau se retrouve partout sur la Terre, elle peut se présenter sous différentes formes et chacune de ses formes correspond à un état physique de l’eau : • État solide : glace, neige, verglas... La neige est bien un état solide de l'eau, car elle est constituée de petits fragments solides de glace. • État liquide : Mers, lacs, rivières, pluie, nuages, brouillard... Les nuages correspondent à un état liquide de l'eau, car ils sont constitués de fines gouttelettes d'eau qui sont en suspension. • État gazeux : vapeur d’eau.

Chutes d'eau LIQUIDE

Iceberg SOLIDE

Nuages VAPEUR

L’eau potable : son cheminement jusqu’à la maison

L’eau usée : son cheminement quittant la maison

Dans les grandes villes, l'eau utilisée par la famille chaque jour s'écoule dans les tuyaux d'évacuation des eaux usées . Ces tuyaux aboutissent à une canalisation plus grosse, elle-même reliée, à l'extérieur de la maison, à un système de collecte d’égouts. Celui-ci dessert toute la communauté et collecte l'ensemble des eaux usées des habitations. À leur sortie des maisons, les eaux impropres sont dirigées vers une station d'épuration où elles sont traitées avant d'être rejetées dans l’environnement (rivières, lacs, mers, etc.) Cette situation idéale ne concerne cependant qu'une faible partie de la population.

Eau saine Eaux usées

Deux habitations sur trois ne sont pas raccordées à des systèmes d’égouts, où celles-ci sont déversées directement dans une rivière ou en nature. Dans les petites municipalités, la solution au problème de la pollution par les eaux usées est l'assainissement de ces eaux par l’utilisation de fosses septiques familiales.

UTILISATION DE L’EAU

Utilisation des propriétés thermodynamiques : •Fluide caloporteur : apport ou extraction d'énergie thermique des locaux, des process, ... •Production d'électricité par turbinage de vapeur. Utilisation des propriétés chimiques : •Milieu réactionnel : traitements de surface, teinturerie, ... •Solvant : lavage de récipients, de matières premières, de produits finis, de gaz/fumées ... Utilisation de l'énergie mécanique : •Entraînement de machines : turbinage •Transport ou déplacement de matières : pâtes à papier, déchets, récupération de pétrole ... •Découpe hyperbare, décalaminage, grenaillage, ...

Utilisation en tant que matière première : •réponse aux besoins hydriques : arrosage, irrigation, boisson, ... •fabrications de jus, boissons, conserves, ... •humidification de l'air, •préparation de solutés en pharmacie, cosmétologie, ... et aussi les loisirs... piscines, complexes nautiques, bains, ...

Principales utilisations industrielles de l’eau et sources disponibles

Eaux de process Eau de process c’est l'eau brute prélevée dans la nature et destinée aux besoins d'une usine pour : - sa production de vapeur - ses circuits de réfrigération - son procédé de fabrication

Alimentation des chaudières Une chaudière a besoin d’eau pour produire de la vapeur. L’eau d’alimentation de la chaudière est constituée d’eau d’appoint, qui sert à compenser les pertes, et des retours éventuels des condensats de vapeur. Pour garantir un fonctionnement optimisé de la chaudière, la qualité des eaux condensées et d’appoint doit être optimisée. En effet les condensats contiennent des impuretés provenant du primage de la chaudière, des produits de corrosion présents dans les tuyauteries de retour, des fuites éventuelles des échangeurs calorifiques. La qualité de l’eau d’appoint est dépendante de la pression de fonctionnement de la chaudière.

Schéma du circuit de l’eau dans une chaudière

L'eau brute provient de sources variées telles que: - une rivière, - un lac, - une nappe phréatique, - la mer, - un réseau urbain.

Les principales causes d'ennuis dans les trois postes ci-dessus peuvent se résumer comme suit: CHAUDIERES @ Variations des caractéristiques de l'eau utilisée @ Mauvais fonctionnement du matériel d'épuration @ Dosage incorrect des produits de conditionnement @ Contrôles d'eaux erronés ou insuffisants Ceci a généralement pour conséquences: @ L'entartrage des surfaces de chauffe des chaudières et l'encrassement par des dépôts divers @ La corrosion en chaudière et sur les lignes de vapeur condensée @ La dégradation du matériel ( chaudière et lignes de condensats) @ L'arrêt de production si la chaudière doit être arrêtée pour réparation.

CIRCUITS DE REFROIDISSEMENT @ Variations des caractéristiques de l'eau utilisée @ Mauvais fonctionnement du pré-traitement d'eau d'appoint @ Problèmes d'injection des produits dans l'eau recirculée @ Problèmes de déconcentration de l'eau recirculée @ Développements bactériens importants @ Contrôles d'eaux erronés ou insuffisants Ceci a généralement pour conséquences: @ L'entartrage ou la corrosion de certains organes du circuit @ Les encrassements, en particulier au niveau des échangeurs @ Mauvais rendements d'échange, d'où perte de production @ Arrêts pour nettoyages ou remises en état du matériel.

EAUX RESIDUAIRES @ Changement de caractéristiques de l'eau à traiter avant rejet @ Augmentation du débit des rejets @ Nouvelles normes de qualité d'effluent @ Contrôles d'eaux erronés ou insuffisants Ceci a généralement pour conséquences: @ Non conformité des eaux de rejet @ Sous dimensionnement des ouvrages de la station de traitement @ Surconsommation des additifs chimiques ( coagulants,…)

Les eaux, toujours minéralisées, et parfois polluées biologiquement ( par nature ou par apport extérieur) contiennent souvent des impuretés qui peuvent conduire logiquement à trois principaux types de problèmes: - la corrosion - l’entartrage - les proliférations organiques L'eau de rivière contient souvent beaucoup plus de solides en suspension que l'eau stagnante. L'eau de lac favorise les développements d'algues. L'eau de nappes souterraines contient généralement de grandes quantités de matières en suspension. Le degré de traitement dépend de l'usage final qui en est fait.

GENERATEURS DE VAPEUR Les qualités demandées par les constructeurs sont très variables en fonction du timbre de la chaudière : la qualité devra augmenter avec le timbre. On devra aussi veiller au cahier des charges de l'utilisateur : la vapeur doit pour certains usages, être d'une qualité irréprochable sur le plan chimique ou physique (cas des industries agro-alimentaires par exemple).

Caractéristiques des eaux pour les chaudières à tubes de fumée jusqu'à 25 bars Pression de service

8,5

> 8,5

> 8,5

TH (°F)

< 0,5

< 0,5

< 0,2

02

Élimination physique de l'oxygène dissous par dégazage thermique et/ou utilisation de réactifs réducteurs ou inhibiteurs de corrosion.

Matières huileuses

absence Eau de chaudière

TAC (°F)