Modélisation hydraulique et de la qualité d'eau dans les réseaux d'adduction d'eau potable par EPANET

II-2-2/ Réactions chimiques du chlore dans l'eau

Au cours d'une réaction de désinfection par le chlore, on mesure le chlore résiduel libre, le chlore résiduel combiné et le chlore résiduel total. Le chlore résiduel libre est le chlore qui demeure dans l'eau après une période de séjour donnée et qui est capable de réagir comme acide hypochloreux (HClO) ou ion hypochlorite (ClO^-). Sa présence est l'indicateur de qualité d'une eau. Le chlore résiduel combiné est une partie du chlore résiduel total qui persiste à la fin d'un temps de séjour donné et qui réagir comme la chloramine qui est un produit résultant de la combinaison du chlore et d'ammoniac d'origine organique ou inorganique. Le chlore résiduel total est la somme du chlore résiduel libre et le chlore résiduel combiné.

L'acide hypochloreux est l'espèce active pour la désinfection. Les réactions chimiques possibles du chlore dans l'eau sont :

16

Pour le chlore gazeux : Cl2 2

+ ? + +

H O HOCl Cl H (II.23)

- +

Pour l'hypochlorite de sodium: 2

NaOCl H O HOCl Na OH (II.24)

+ ? + +

+ -

Pour l'hypochlorite de calcium Ca OCl 2 H O 2 HOCl Ca 2 OH (II.25 )

2 + -

( ) + ? + +

2 2

II-2-3/ Notion de demande en chlore

Lorsque le chlore est introduit dans l'eau, une première réaction instantanée se produit entre le l'acide hypochloreux HOCl et la matière organique présente dans l'eau pour donner les chloramines (Cockx, 2005):

· Monochloramine : HOCl + NH₃ ? NH₂Cl + H₂O (II.26)

· Dichloramine : HOCl + NH₂Cl ? NHCl₂ + H₂O (II.27)

· Trichloramine : HOCl + NHCl₂ ? NCl₃ + H₂O (II.28)

Il est à préciser que le chlore consommé par la matière organique n'a aucun rôle désinfectant : c'est ce qu'on appelle demande en chlore. Lorsque la matière organique est épuisée, la formation du chlore libre peut commencer pour amorcer la désinfection. La figure ci-dessous décrit les transformations successives engendrées par l'ajout de doses croissantes de chlore à une eau faible en matière organique (graphique gauche) et pour une eau riche en matière organique (graphique droit). A partir du point d'origine les doses ajoutées réagissent avec la matière organique ce qui engendre la production des monochloramines et ce jusqu'au point maximum de la courbe « Demande ». Au-delà de ce pont les monochloramines sont transformées en dichloramines et en acide chlorhydrique HCl. Le point PC est un point de changement de l'allure de la courbe appelé point critique, il est atteint lorsque la demande en chlore est satisfaite. Au-delà de ce point, le chlore ajouté est du chlore libre efficace pour la désinfection et qui croit à la même allure que les doses de chlore appliquées.

Figure II.1:Demande en chlore (Cockx, 2005)

I-2-4/ Principaux facteurs physicochimiques influençant la dégradation du chlore dans l'eau

17

Savoir les aspects physico-chimiques derrière la dégradation de chlore est indispensable si nous devons développer une stratégie capable de désinfecter un système d'adduction d'eau potable, en même temps, de préserver la qualité d'eau jusqu'au point de distribution, sans employer plus désinfectant que nécessaire. Dans ce sens, la modélisation du taux de dégradation du chlore est essentielle pour projeter correctement de nouveaux systèmes ou pour faire des changements de celles existantes.

La dégradation du taux de chlore et les modèles de propagation traitent le tronçon de conduite comme s'il était un réacteur chimique. Pour ce réacteur, on supposé que le chlore entre d'une extrémité, se consomme dans l'eau (dégradation en bloc) par les micros organismes et par les biofilms fixé à ces parois et transporté à l'autre extrémité de la conduite par la convection. Le chlore peut également réagir avec la conduite elle-même. Le mécanisme de dégradation (réaction) et de transport de chlore est schématiquement décrit sur le schéma au dessous. Par conséquent, le phénomène de réaction du désinfectant avec l'eau dans les tronçons du réseau se produit aussi bien dans la veine liquide qu'au niveau de la paroi.

Concentration importante

Convection et dégradation axiale par la masse d'eau

Diffusion Radial et dégradation par les biofilms

Concentration moins
importante

Biofilms

Figure II.2:Description schématique du modèle de transport 2-D de chlore

II-2-4-1/ pH et minéralisation

Dans le réseau, le pH et la minéralisation sont importants pour le contrôle de la corrosion, l'agressivité d'eau, l'action du désinfectant et la précipitation des éléments dissous. Mais le pH peut

18

varier le long de la distribution du fait d'une évolution de la concentration de CO2 dissous, ou bien parce que l'eau traitée n'était pas forcément à l'équilibre calcocarbonique en sortie de la station. Une aération dans un réservoir peut rendre une eau dure et incrustante par une perte de CO2, ce qui risque alors d'obturer les conduites par dépôt de tartre. La solution est l'addition de CO2 et/ou l'extraction de CaCO3, qui sert à restaurer l'équilibre. Inversement, une eau chargé CO2 agressif (avec un pH bas) a tendance à attaquer les matériaux qu'elle rencontre avec des conséquences importantes: dissolution de ciments, attaque des métaux ferreux (corrosion) ou attaque de métaux toxiques tels que le plomb. Des solutions envisageables sont l'élimination de CO2 agressif, l'addition de chaux pour la mise à l'équilibre calcocarbonique ou un traitement de reminéralisation.

II-2-4-2/ Température

Une température élevée peut favoriser des goûts ou odeurs désagréables. De plus, elle accélère la plupart des réactions physico-chimiques et biologiques dans le réseau, influence la croissance bactérienne, dissipe l'effet du désinfectant résiduel en agissant sur les constantes d'équilibre et accélère la corrosion. L'activité bactérienne s'accroît nettement lorsque la température dépasse 15°C.

II-2-4-3/ Oxygène dissous

Toute baisse de la teneur en oxygène dissous détectée sur le réseau peut être interprétée comme un signe de croissance biologique. Dans le cas où le réseau est correctement entretenu, une anaérobiose répandue ne se produit qu'avec des temps de séjour très longs.

II-2-4-4/ Turbidité

Si la turbidité d'eau est supérieure à 0.4 NTU, l'action des désinfectants est ralentie, voire annulée. Les colloïdes responsables de la turbidité peuvent protéger les bactéries des oxydants. Ainsi, un traitement de chlore libre à 0.4 mg/l pendant une heure, qui donne normalement une garantie bactériologique à l'eau, n'est actif que si la turbidité est inférieure à 0.4 NTU.

II-2-4-5/ Matière organique

Elle représente une source nutritive essentielle pour la prolifération bactérienne, le contenu en éléments organiques carbonés est aujourd'hui considéré comme un facteur primordial dans la maîtrise de la qualité microbiologique d'eau dans le réseau. En effet une consommation de la matière organique s'accompagne d'un accroissement de la densité bactérienne au niveau du biofilm.

II-2-4-6/ Dureté

19

Une eau trop douce a un effet corrosif sur les canalisations et peut amener dans l'eau une présence excessive de métaux (tel le plomb) provenant des canalisations. La dureté d'eau n'a pas d'incidence sur la santé (observatoire régional de l'environnement Poitou-Charentes). Elle se calcule en degré français (°F) correspondant à 4 mg de calcium ou 2,4 mg de magnésium par litre d'eau. La valeur idéale est de 15°F.

II-2-4-7/ Ions fer

L'influence des ions de fer sur la dégradation du chlore existe au cours de l'oxydation des ions Fe²⁺ (sous forme de bicarbonate) en ions Fe³⁺ (sous forme d'hydroxyde de fer) en milieu alcalin et dure (présence de la molécule de carbonate de magnésium ou de calcium), qui est une réaction très rapide en solution, où le chlore réagit avec le calcium ou magnésium.

I I-2-4-8/ La nitrite

Le chlore libre oxyde les ions nitrites en ions nitrates.