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Dimensionnement du bassin de chloration


La dose de chlore et le temps de contact
L'influence de la géométrie des bassins de contact
Estimation des différents paremètres de dimensionnement
Analyse financière



La dose de chlore et le temps de contact 




    Le temps de contact réel du chlore avec l'eau à traiter est un paramètre important qui oblige à une bonne conception des bassins de contact
    La variation du temps de contact nécessaire permet de jouer sur cette dose  requise : pour un pH donné, si on augmente la dose de chlore, on pourra diminuer le temps de contact, par contre si on diminue la dose, il faudra augmenter le temps de contact.

    Etant donné la diversité des micro-organismes présents dans l'eau à traiter, les conditions de désinfection adoptées doivent permettre un traitement efficace sur les principales  populations de germes. Ceci doit également être valable si l'eau à désinfecter est momentanément turbide, ou possède une certaine teneur en matières organiques, qui pourraient interférer lors de la désinfection. La cinétique de la réaction entre le désinfectant et les micro-organismes dépend essentiellement du type de micro-organismes considéré et du désinfectant utilisé.

    Pour permettre d'évaluer l'efficacité de la désinfection il a été défini le critère C.t, avec :
            - C = concentration résiduelle en désinfectant (mg/l) à la sortie du bassin
            -  t = temps réel de contact entre le désinfectant et les micro-organismes, exprimé en minutes


    Ce critère a été défini à partir de la loi de Chick-Watson suivant une certaine corrélation. (voir la démonstration).

    Il stipule que l'inactivation d'un micro-organisme donné est proportionnelle à ce produit.
        On a alors :
                             Log d'inactivation = CT(disponible) / CT(requis)
                                                            = CTd / CTr    
                    


           Le CT disponible :
 c'est la valeur de CT obtenue pour une configuration donnée de bassin de contact et dans une condition donnée. On l'obtient suivant l'équation :
                             

                               CTd = Crés * T
                                       = Crés * (Vu / Qmax) * (T(10)/T)

            avec :
                - Crés : concentration résiduelle de désinfectant mesurée à la sortie du bassin
                - Qmax : débit de pointe à la sortie du bassin, on le considère constant sur une saison donnée
                - Vu : volume utile dans le bassin, on le considère constant au niveau du bassin et égal à 100%
                - T(10) / T : facteur d'efficacité hydraulique (compris entre 0 et 1) tel que décrit en annexe

        
Le calcul du CT disponible peut être fait pour deux besoins distincts : la vérification de l'efficacité de la désinfection dans le cadre de l'opération d'une installation existante ou la conception d'une nouvelle installation.

 


          Le CT requis :  
    il nous est donné par des tables (un exemple est fourni en annexe.) et dépend des micro-organismes concernés,du log d'inactivation souhaité, du désinfectant, de la température et du pH de l'eau. Pour l'étude on fera l'impasse sur ces tables en se basant simplement sur les recommandations de l'OMS 


N.B : On pourra vérifier sur place le critère CT sur l'installation grâce à différentes méthodes de calcul du critère CT

   


Aussi, des études ont été réalisées afin de déterminer des équations établissant des relations entre la température (T) de l'eau,la valeur du CT disponible pour un désinfectant donné et l'inactivation désirée pour un type de micro-organisme donné pour un pH donné.

Il nous est donné pour le cas idéal d'un écoulement piston
:

Désinfectant Inactivation des virus (log) Inactivation de Giardia (log)
Monochloramines I=[CTd * exp(0.07 * T) +410.7]/849.5 I=CTd/[858.5 - (24.3*T)]
Chlore libre I=[CTd * exp(0.07 * T) - 0.42]/2.94 I=CTd/[0.283 * (pH^2.69) * ([Cl]^0.15) * 0.933^(T-5)

N.B: ces équations ne permettent d'obtenir que des valeurs approximatives. Pour acquérir les valeurs exactes, il serait préférable d'avoir accès aux tables qui correspondent au cas étudié.

 

 

 

L'influence de la géométrie des bassins de contact




    Pour un pH, une température, et des micros-organismes cibles donnés, c'est au niveau du volume des bassins de contact que l'on peut agir pour respecter les valeurs choisies pour le critère C.t. Les bassins de contact doivent être conçus de façon à se rapprocher du réacteur idéal qui procure le même temps de transit pour toutes les molécules. 
    Pour atteindre cet objectif, l'écoulement dans le bassin de contact doit être du type "flux piston" (comme cela est détaillé dans l'annexe facteur d'efficacité hydraulique), grâce à l'aménagement de chicanes définissant des canaux parallèles dont la largeur est égale à la profondeur et dont la longueur développée est de l'ordre de 100 fois la largeur. Il doit être également conçu de façon à eviter les zones mortes (dues à la géométrie des extrémités de chicanes et des coudes de la conduite).




Estimation des différents paramètres de dimensionnement




    Nous ne sommes pas en mesure de pouvoir fournir à priori les valeurs exactes des paramètres phisico-chimiques de la rivière dont on pompe l'eau. Il sera donc nécessaire d'effectuer des prélèvements sur place pour réaliser le projet avec rigueur.


    Néanmoins pour effectuer une approche du dimensionnement du bassin de chloration nous considèrerons que:
- le pH est quasi-constant et avoisine la valeur de 7 (eau neutre) (ainsi on ne tiendra pas compte de l'équilibre calco-carbonique de l'eau)
- la température est sous-évaluée (ce qui correspond à la température la plus basse que l'eau prélevée puisse avoir) et on la prend égale à 10°C
- l'inactivation sera de 99% soit 2 échelles de log
- le facteur d'efficacité hydraulique sera pris égal à 0.
7 grâce aux différentes chicanes qu'on introduit au sein du bassin 
- la présence de composés facilements oxydables et de matière azotée sera négligée bien qu'il faudra impérativement en tenir compte lors de la réalisation du projet sur place

- la formation d'organohalogénés sera également négligée mais il faudra également en tenir en compte sur place 

     
   De plus nous allons nous baser sur les Recommandations OMS qui sont les suivantes:
       - Pas d'Escherichia coli ni de coliformes totaux par 100 ml d'eau potable.
       - Conditions normales de chloration (permettant un abaissement de 99 % de la concentration en bactéries telles que Escherichia coli, l
es kystes de protozoaires parasites ne sont pas pris en compte dans cette recommandation):
             
- quantité de chlore résiduel supérieure à 0,5 mg/L mais inférieure à 5mg/L (dose nocive pour la santé);
             
- temps de contact de 30 minutes ;
             
- turbidité inférieure à 1 UNT (
pouvant occasionnellement dépasser cette valeur sans jamais atteindre 5 UNT), d'où l'importance de la précédente étape de coagulation-floculation, en effet :
    - les solides en suspension peuvent protéger les bactéries contre l'action du chlore La résistance des bactéries pathogènes aux traitements est  dépendante de leur adsorption sur les matières en suspension. ;
    - les matières organiques réagissent avec le chlore, dont l'action stérilisante se trouve alors fortement réduite ou même supprimée (formation d'organo-chlorés) ;


   
On doit bien sûr prendre en compte également le débit d'eau moyen au sein du bassin de chloration:
Pour une journée, il faut produire 1900m^3 d'eau. Cela nous impose un débit de environ 40m^3 d'eau par demi-heure à l'entrée du bassin de chloration.
Le temps de contact devant être de 30 minutes et le facteur d'efficcacité hydraulique étant de 0.7, ceci nous impose un volume de bassin supérieur égal à environ 60m^3.
Afin de respecter la géométrie du bassin de contact décrite plus haut, on opte pour un bassin de 50m de long comprenant 4 chicanes.
Les couloirs définis par les bords du bassin et les chicanes feront alors 0.5m de hauteur et de largeur ce qui impose des longueurs de chicane de 49.5m chacune.


Comme cela est consigné dans la partie dédiée au Break Point, il sera nécessaire d'injecter plus de 10 fois la dose d'azote contenue dans l'eau à traiter pour aller au delà de ce point de rupture. Suivant les galets utilisés, on modifiera la dérivation du système chlorateur hydraulique afin d'ajuster la concentration en chlore que l'on désire injecter en entrée du bassin.
Au démarrage de l'étude sur le terrain, nous choisirons de traiter l'eau avec une concentration en chlore de 3mg/L. Ensuite nous ajusterons cette concentration afin d'obtenir une concentration de chlore résiduel proche du minimum imposé par l'OMS, afin d'économiser le chlore au maximum et ainsi optimiser cette étape de la potabilisation.

 

 

 

Analyse financière




        Dans le tableau suivant, sont présentées trois cas types, selon qu'il s'agisse d'une agglomération de 1000, 5000 ou 80000 habitants.

Ceci ne représente qu'une estimation car il nous est difficille, à priori, de définir avec exactitude la quantité de chlore à injecter

Par commodité, nous avons effectué une analyse économique exprimée en Francs Français pour faciliter la conversion en Francs CFA (1 FF=100 FCFA ; 1€=655.957 FCFA)

Nombre d'habitants 1000 habitants   5000 habitants   80000 habitants
Consommation d'eau   20 m3/jour   100 m3/jour  2000 m3/jour 
Consommation annuelle   7300 m3/an   3 6500 m3/an   73000 m3/an  
Nombre de galets consommés (on considère qu'un galet permet de traiter 50m^3 d'eau)  150 730 1460
Coût des galets (1 galet = 6 FF) 900FF   4380 FF   8760 FF
Coût annuel du chlorateur (1 000 FF amorti sur 5 ans)   200 FF   200 FF 200 FF
Coût de maintenance 30 FF 30 FF 30 FF
Coût total annuel   1130 FF 4616 FF   8990 FF
Coût par m3 chloré  0.155 FF 0.126 F 0.123 FF

         La chloration de l'eau induit donc un surcoût non négligeable par rapport aux dépenses initiales qui sont déjà lourdes dans de nombreux cas.

        Si l'on regarde uniquement le consommable (comme cela est pratiqué pour la maintenance des pompes), le coût de la chloration diminue sensiblement et devient abordable. Les galets sont une solution moins chère que l'eau de Javel, en effet cette dernière coûte au Bénin entre 8 et 12 FF /l, en titrant 12° chlorimétrique, soit 36 grammes de chlore/litre. Un litre de cette eau de Javel permet de chlorer 20 m3 d'eau, soit un coût de 0.40 à 0.60 FF /m3.
   
    

 

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