Phase 2: Traitement de l'eau du fleuve Sénégal

 

Phase 2 : Traitement de l'eau du fleuve Sénégal

 

  La Mauritanie est un pays déficitaire en eau, et ce problème est particulièrement important à cause du climat Sahélien. En effet, la faible pluviomètrie, l'importance de l'évaporation ainsi que la nature géologique du pays font que la Mauritanie est pauvre en ressources hydriques. C'est le fleuve Sénégal qui joue un rôle très important comme source principale d'eau de surface pour La Mauritanie (région Gorgol) ainsi que le Sénégal et le Mali. Donc, il peut être utilisée comme eau potables et eau d'irrigation. 

  Nous avons étudié ici comment traiter l'eau du fleuve Sénégal et la potabiliser. La recherche qui était réalisée par quatre personnes en Mauritanie et au Sénégal (Université de Cheikh Anta Diop, INRSPN, Université de Nouakchott), entre 2009 et 2010, nous a donné des informations sur la qualité de l'eau de la rive droite du fleuve Sénégal.

 

1) Localisation

www.au-senegal.com

Figure 1. La situation géographique du fleuve Sénégal et la zone d'étude (Source: au-senegal.com)

   Les échantillons ont été prélevés dans des villages près du point rouge sur la carte(cf. Figure 1). Dans le but de mieux apprécier les caractéristiques physico-chimiques et bactériologiques des eaux du fleuve du Sénégal, la recherche par trois université en Mauritanie et Sénégal a été réalisé au niveau de 10 sites en 2009.

 

2) Analyse de la qualité de l'eau de la rive droite du fleuve Sénégal

  Les quatorze paramètres physicochimiques étudiés sont la température, le pH, la conductivité électirique, la turbidité, la dureté, le calcium, le manganésium, le sodium, le potassium, les matières oxydables, les nitrates, les nitrites, l'ammonium et le fer. Les deux paramètres bactériologiques déterminés sont les coliformes fécaux (CF) et les streptocoques fécaux (SF).

    L'appréciation de la qualité physico-chimique et bactériologique de l'eau du fleuve a été suivie par le biais de l'analyse de l'eau récoltées au niveau de 10 sites durant la période Novembre 2009/ Septembre 2010. Le tableau 1 rapporte les valeurs qui nous intéressent :

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Tableau 1. Valeurs moyennes, maximales et minimales des paramètres physicochimiques et bactériologiques au niveau du fleuve Sénégal (Novembre 2009/ Septembre 2010)

    Les résultats de l'analyse physico-chimique présentés dans ce travail, ont montré que le pH est proche de la neutralité, la faible minéralisation due à la faible de la conductivité avec une moyenne de 65 μS/cm. La turbidité est très importante, comme la littérature l'indique cette forte turbidité pourrait être un vecteur de tous les microbes, parasites, et autres. Les valeurs moyennes de la dureté, des ions calcium, magnésium, sodium et le potassium sont respectivement 3 °F, 6.8 mg/l, 3.1 mg/l, 6.8 mg/l et 2.2 mg/l. La matière organique peut être considérée comme correct et ne présente aucune incidence sur la qualité du fleuve Sénégal. L'analyse des nitrates, nitrites et ammonium montre que les teneurs en nitrates et en nitrites sont extrêmement faibles. Par contre, la teneur en ammonium est importante par rapport aux normes de l'eau de boisson selon l'OMS. L'eau du fleuve du Sénégal présente une forte pollution bactériologique avec une concentration moyenne en streptocoques fécaux de 660 N/100ml. En outre les teneurs en coliformes fécaux sont nulles. Donc, l'utilisation de l'eau sans traitement préalable pourrait constituer un risque sanitaire important. 

   Après l'analyse de la qualité de l'eau du fleuve Sénégal, nous avons trouvé qu'il existe une corrélation moyennement significative entre les streptocoques fécaux et la turbidité. La Figure 2 montre un R2 = 0,5856 (〔SF〕= 2,2855〔turbidité〕+ 73,398 ).

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Figure 2. Corrélation établie Streptocoques fécaux / turbidité

    La turbidité est représentative de la transparence d'une eau. Cette transparence peut être affectée par la présence de particules en suspension et de matières colloïdales dans l'eau (limons, argiles, micro-organismes, etc.). Le plus important effet lié à la santé qui caractérise la turbidité est probablement sa capacité de protéger les bactéries et les virus contre la désinfection.

 

3) Proposition de traitement de l'eau du fleuve Sénégal

  - Coagulation, floculation, décantation et filtration à sable

   Coagulation et floculation sont des prétraitements essentiels pour de nombreux systèmes de purification d'eau, en particulier pour la turbidité élevée. Ils sont aussi relativement simples et moins chers par rapport à autres systèmes de prétraitement. Lorsque la valeur de turbidité n'excède pas 5 NTU, nous pouvons commencer la filtration à sable, étape postérieur du traitement de l'eau.

Figure 3. Schéma d'un système de traitement de l'eau du fleuve Sénégal

   Dans l'étape de coagulation-floculaton-décantation, un coagulant est ajouté dans l'eau du fleuve Sénégal pour créer une attraction entre les particules en suspension. Le mélange est agité lentement à induire des particules à s'agglomérer en 'flocs'. L'eau est alors placée dans un bassin de sédimentation pour régler les solides. Ensuite, cet eau passe à travers le sable de haut en bas. Les plus grosses particules en suspension sont laissées dans les couches supérieures de sable. Les plus petites particules de sédiments organiques laissés dans les filtres à sable sont mangés par des organismes microscopiques, y compris les bactéries et les protozoaires qui 'collent' dans les couches de boue qui se forment autour des particules de sable et l'eau potable qui passe à travers le filtre est bonne à boire (cf. Figure 3).

 3.1) Coagulation et floculation

   3.1.1) Principe

    Lorsque la décantation naturelle des matières en suspension dans l'eau est trop lente pour obtenir une décantation efficace, on utilise donc les processus de coagulation et de floculation pour traiter les solides colloïdaux qui ne décante pas  facilement(cf.Tableau 2).

 Tableau 2. Caractéristique de particles colloïdales (1)

    La surface des particules est chargée négativement, ce qui leur permet de se repousser les unes les autres et les empêche de former des masses plus larges, appelées des flocs (cf. Figure 4). La coagulation est la déstabilisation de ces colloïdes par la neutralisation des forces qui les tiennent séparées par addition d'un réactif chimique, appelé "coagulant". La floculation est l'agglomération de ces particules déchargées en microflocs, puis en flocons volumineux et décantables, le floc.

Figure 4. Caractéristique de particles colloïdales (2)

   Les coagulants chimiques utilisés communement sont l'alun, le sulfate ferrique, chlorure ferrique, le sulfate ferreux, et l'aluminate de sodium. Par exemple, l'ajout de l'alun (sulfate d'aluminum) à une des eaux usées produit de l'hydrolyse du sulfate avec la formation consécutive de l'hydroxyde d'aluminum insoluble selon la réaction suivante :

Al2(SO4)3 18H2O + 6H2O ⇔ 2Al(OH)3↓ + 6H+ + 3SO2- + 18H2O

    L'hydroxyde d'aluminium insoluble forme des flocs qui sont responsable de l'enlèvement de colloïde.

   Afin de choisir le coagulant que nous allons utiliser, nous avons considéré son efficacité à réduire la couleur, la turbidité et les matières organiques. Nous devons aussi penser à son prix pour trouver la solution la plus abordable possible. Après avoir comparé cinq coagulants principaux, nous avons choisi d'utiliser le sulfate d'aluminium comme coagulant car c'est un des coagulant les plus utilisé dans le monde et parmi les moins chers (environ 270 dollars par tonne).

  3.1.2) Calcul du mélangeur

   > Hypothèses

   Afin de décider des caractéristiques du mélangeur, nous avons supposé d'abord les hypothèses suivantes :

      - Cinétique de Smoluchowski

      - Solution monodisperse

      - Particules sphériques

    Pour la partie de floculation, nous avons suivi la théorie de Smoluchowski dont les hypothèses sont les suivantes :

      - Régime permanent

      - Mélange parfait

      - Pas d'attrition, ni de fragmentation

      - Chaque collision conduit à une agrégation

    Cette théorie suit l'équation suivante :

        dN/dt = - 2/3 * G dp3N2

        avec N : nombre de particules par unité de volume (m-3)

                G : gradient de vitesse (s-1)

                dp : diamètre de particule (m)

  > Volume du mélangeur

   Nous avons considéré que les particules fines sont beaucoup plus nombreuses que les particules grossières. Nous avons donc supposé que les particules sphériques dans notre cas ont un diamètre moyen égal à 2 μm. Étant donné qu'un litre d'eau contient 7,84 mg de particules colloïdales et la densité de MES est égales à 1,2. Nous avons donc :

     Teau = 25 °C (température moyenne annuelle)

     qeau = 999,7 kg/m3

     leau = 1,307 10-3 Pa s

     dpc = 2 μm

     qp = qeau * 1,2 = 1199,64 kg/m3

     N0 = 7,84 mg / (4/3 п rpc3) / 1,2 = 1,56 10-12 m-3

   Ensuite, nous avons considéré que la vitesse d'agitation est entre 20 et 30 s-1 et nous avons donc fixé G = 25 s-1. D'après l'équation de Smoluchowski et pour l'abattement de la pollution de 50 %, nous avons eu l'équation suivante :

t = 3/2(G dpc3 N0) = 4808 s = 1,36 h

   Après multiplication par un facteur de sécurité, nous avons t = 2,67 h et V = 4,46 m3 (pour le débit égal à 1,67 m3/h).

Figure 5. Géométrie standard d'un réacteur par une turbine Rushton

   La géométrie standard d'un réacteur par une turbine Rushton est présenté (cf. Figure 5). Après avoir calculé, nous avons obtenu Heau = 2,37 m et Htotal = 2,6 m en considérant un facteur de sécurité.

  > Puissance nécessaire

    Nous avons calculé ci-dessous la puissance nécessaire à une turbine Rushton :

P = ρ G3 l5 = 999,7 kg/m3 * (25 s-1)3 * (2,37m/12)5 = 4,69 kW

  3.2) Décantation

  3.2.1) Principe de décantation

    Lors de la décantation les particules dont la densité est supérieure à l'eau ont tendance à s'accumuler au fond du décanteur sous l'effet de la pesanteur. Les particules seront périodiquement éliminées du fond du bassin de décantation.

    Il y a plusieurs types de décantation qui se distinguent selon la concentration en solide et la nature des particules (densité et forme). Nous avons considéré que nous sommes dans le cas d'une décantation de particules discrètes car le bassin de décantation est indépendant de celui de coagulation.

   Il existe deux forces principales qui ont une influence à toute particule dans l'eau, la force de pesanteur et la force de frottement. La première force, qui est l'élément moteur, permet la chute de particule, et la deuxième force, qui est due à la traînée du fluide, s'oppose à ce mouvement. Il y a donc une différence qui nous permet, grâce à l'équation Stokes, de calculer la vitesse limite de chute d'une particule :

   Avec  vL : vitesse limite de chute de la particule (m/s)

             dp : diamètre de la particule (m)

             CD : coefficient de traînée

             qs : masse volumique du solide (kg/m3)

             ql : masse volumique du fluide (kg/m3)

             g : accélération de la pesanteur (m/s2)

             Rep : nombre de Reynolds particulaire

             vp : vitesse de la particule (m/s)

             a, n : constantes qui fonctionnent du régime 

                     -  régime laminaire (10-4 < Rep < 1) : a=24, n=1

                     -  régime intermédiaire (1 < Rep < 103) : a=18,5, n=0,6

                     -  régime turbulent (103 < Rep < 2 105) : a=0,44, n=0

  3.2.2) Calcul du décanteur

     Nous faisons tomber au sol les particules dans le bassin du décantation et ces particules ont un diamètre supérieur à 50 μm. Nous avons défini la surface minimale au sol :

A = Q/vL

      Avec Q = 40 m3/j

               vL = (1/18) dp3 (ρsl)g/μ = 0,268 mm/s (régime laminaire, dp = 50 μm)

     Nous avons donc A = 1,73 m2 (l = 0,54, L = 3,22, L = 6l en général).

    Par contre, la profondeur du décanteur n'a pas une forte influence sur l'efficacité, nous avons donc pris arbitrairement h = 1 m. Le temps de séjour est donc :

t = L/vf = Llh/Q =62 min.

 3.3) Filtration à sable

  3.3.1) Principe de la filtration à sable

    L'eau prétraitée a encore besoin d'un autre traitement pour l'enlèvement final ou l'inactivation des agents pathogènes. La filtration à sable est le processus de traitement couramment appliqué dans la plus part des améliorations qualités de l'eau bactériologique. Elle joue également un rôle clé dans le traitement de l'eau en milieu rural.

www.nzdl.org

Figure 6. Schéma du système d'une filtration à sable (Source : nzdl.org)

    Comme le montre la Figure 6, un filtre à sable contient une boîte ouverte remplie avec une couche de sable d'une profondeur d'environ 0,8 à 1,0 mètre. La partie supérieure de la boîte de filtre est rempli avec de l'eau s'écoulant par gravité à travers le lit de sable. L'eau filtrée est ensuite recueillie par un système de drainage souterrain et transmis au réservoir d'eau claire. Le sable bien gradué du lit filtrant est relativement fine, c'est-à-dire, ses gammes de taille effective comprise entre 0,15 et 0,30 millimètres.

  3.3.2) Calcul du bassin de la filtration à sable 

    La vitesse de filtration doit être en général égale entre 0,1 et 0,2 m/h, et nous avons choisi 0,2 m/h comme celui de notre cas. Le débit est 1,67 m3/h, nous avons donc :

S = Q / vF = 8,53 m2

    Avec S : Surface de filtre lit

    En général, L = 6*l, nous avons donc :

L = 7,2 m et l = 1,2 m

    Avec L : longeur de filtre (m)

             l : largeur de filtre

    La profondeur du lit filtrant a une forte influence sur l'efficacité de la filtration et devrait être d'au moins 0,75 à 1,0 mètre. Nous avons donc :

      hs = 0,8 m (ds = 0,3 mm)

      hg = 0,2 m  

      Avec hs : profondeur de sable

               hg : profondeur de gravier

      Lorsque les pores du filtre sont bouchés, ils ont besoin d'être nettoyés. Une des meilleures façons de nettoyer le filtre d'un système d'eau potable est le rétro lavage, ce qui signifie inverser le flux et augmenter la vitesse à laquelle l'eau passe en arrière à travers le filtre. La perte de charge (ΔH) sur le filtre indique la nécessité d'un rétro lavage : plus le filtre est bouché, plus la perte de charge est importante. En général, la perte de charge ne peut pas être supérieure à 1 mètre.

 

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Source :

● Localisation et analyse de la qualité de l'eau : Université de Cheikh Anta Diop,INRSPN, Université de Nouakchott, Sciencelib, http://www.sciencelib.fr/Evaluation-de-la-qualite-de-l-Eau

● Filtration à sable : Sourcebook of alternative technologies for freshwater augmentation in small island developing states, UNEP-IETC, 230p