BRGML INT>ir*ISI AU SIIVICI Dl lA TIRIII

SYNTHESE TECHNIQUE ET ECONOMIQUE DES

TRAITEMENTS DU FER ET DU MANGANESE DISSOUS DANS L'EAU

R. 35368. RHA. 4S/92 LYON, JUILLET 1992

par F. lUNDT

BRGM - RHÔNE-ALPES29, boulevard du 1 1 -Novambr» - B P. 6083 - 69604 Villeurbonn» ceden, FranceTél.: 33 76.89.72.02 - Télécopieur : |33l 78.94.12.64 - Télen ; 380 966 F

BRGML INT>ir*ISI AU SIIVICI Dl lA TIRIII

SYNTHESE TECHNIQUE ET ECONOMIQUE DES

TRAITEMENTS DU FER ET DU MANGANESE DISSOUS DANS L'EAU

R. 35368. RHA. 4S/92 LYON, JUILLET 1992

par F. lUNDT

BRGM - RHÔNE-ALPES29, boulevard du 1 1 -Novambr» - B P. 6083 - 69604 Villeurbonn» ceden, FranceTél.: 33 76.89.72.02 - Télécopieur : |33l 78.94.12.64 - Télen ; 380 966 F

AVANT-PROPOS

À LA DEMANDE DU CONSEIL GÉNÉRAL DE LA HAUTE-SAVOIE, UNE SYNTHÈSE

TECHNIQUE ET ÉCONOMIQUE DES TRAITEMENTS DU FER ET DU MANGANÈSE

DISSOUS DANS l'eAU A ÉTÉ RÉALISÉE.

M-

AVANT-PROPOS

À LA DEMANDE DU CONSEIL GÉNÉRAL DE LA HAUTE-SAVOIE, UNE SYNTHÈSE

TECHNIQUE ET ÉCONOMIQUE DES TRAITEMENTS DU FER ET DU MANGANÈSE

DISSOUS DANS l'eAU A ÉTÉ RÉALISÉE.

M-

SYNTHESE TECHNIQUE ET ECONOMIQUE DES

TRAITEMENTS DU FER ET DU MANGANESE DISSOUS DANS L'EAU

R. 35368. RHA. 4S/92

RESUME

Le fer et le manganèse ne sont pas considérés comme des espèces toxiques,mais la législation pour les eaux potables en limite les teneurs dans l'eau

essentiellement pour les gênes qu'ils peuvent causer au consommateur (et à

l'exploitant) .

Pour réduire les teneurs de ces deux éléments, différentes techniques peu¬

vent être utilisées et ce en fonction de la qualité de l'eau concernée.

Dans le cadre de ce rapport, nous avons évoqué les différents traitementsexistants avec leurs avantages et inconvénients, ainsi qu'une approche

comparative de coûts de réalisation.

L'accent a été mis sur l'intérêt de consulter un maître d'oeuvre spécialisépour résoudre les problèmes de traitement d'eau afin de mettre en place des

installations optimisées et au moindre coût.

Le cas particulier de la Semine a été abordé avec la solution de traitement

à mettre en oeuvre.

Ce dossier comporte : 14 pages de texte.

SYNTHESE TECHNIQUE ET ECONOMIQUE DES

TRAITEMENTS DU FER ET DU MANGANESE DISSOUS DANS L'EAU

R. 35368. RHA. 4S/92

RESUME

Le fer et le manganèse ne sont pas considérés comme des espèces toxiques,mais la législation pour les eaux potables en limite les teneurs dans l'eau

essentiellement pour les gênes qu'ils peuvent causer au consommateur (et à

l'exploitant) .

Pour réduire les teneurs de ces deux éléments, différentes techniques peu¬

vent être utilisées et ce en fonction de la qualité de l'eau concernée.

Dans le cadre de ce rapport, nous avons évoqué les différents traitementsexistants avec leurs avantages et inconvénients, ainsi qu'une approche

comparative de coûts de réalisation.

L'accent a été mis sur l'intérêt de consulter un maître d'oeuvre spécialisépour résoudre les problèmes de traitement d'eau afin de mettre en place des

installations optimisées et au moindre coût.

Le cas particulier de la Semine a été abordé avec la solution de traitement

à mettre en oeuvre.

Ce dossier comporte : 14 pages de texte.

- 1 -

SOMMAIRE

Pages

INTRODUCTION 2

1 - COMPORTEMENT DU FER ET DU MANGANESE DANS LES EAUX 3

2 - SOLUTIONS ET TECHNIQUES DE TRAITEMENT 4

2.1 - Oxydation 4

2.1.1 - Par physico-chimie avec l'oxygène de l'air 4

2.1.2 - Par voie biologique avec l'oxygène de l'air 6

2.1 .3 - Avec l'ozone 7

2.1.4 - Avec autres réactifs chimiques 7

2.1 .5 - Coagulation-floculation 9

2.2 - Filtration 9

3 - COMPARAISON DES DIFFERENTES METHODES 11

3.1 - Avantages et inconvénients 11

3.2 - Aspect économique 11

3.3 - La démarche indispensable 11

3.4 - Comparaison des coûts de réalisation 13

4 - CAS PARTICULIER DE LA SEMINE 14

- 1 -

SOMMAIRE

Pages

INTRODUCTION 2

1 - COMPORTEMENT DU FER ET DU MANGANESE DANS LES EAUX 3

2 - SOLUTIONS ET TECHNIQUES DE TRAITEMENT 4

2.1 - Oxydation 4

2.1.1 - Par physico-chimie avec l'oxygène de l'air 4

2.1.2 - Par voie biologique avec l'oxygène de l'air 6

2.1 .3 - Avec l'ozone 7

2.1.4 - Avec autres réactifs chimiques 7

2.1 .5 - Coagulation-floculation 9

2.2 - Filtration 9

3 - COMPARAISON DES DIFFERENTES METHODES 11

3.1 - Avantages et inconvénients 11

3.2 - Aspect économique 11

3.3 - La démarche indispensable 11

3.4 - Comparaison des coûts de réalisation 13

4 - CAS PARTICULIER DE LA SEMINE 14

- 2 -

SYNTHESE TECHNIQUE ET ECONOMIQUE DES TRAITEMENTS

DU FER ET DU MANGANESE DISSOUS DANS LEAU

R. 35368. RHA. 4S/92

INTRODUCTION

Si, en général, les eaux exploitées pour l'irrigation sont utilisées direc¬

tement, les eaux d'adduction publique et les eaux industrielles doivent

fréquemment faire l'objet d'un traitement. Les eaux de surface sont systé¬

matiquement traitées (au minimum par filtration et chloration). On a long¬

temps pensé que les eaux souterraines étaient de meilleure qualité et donc

utilisables directement. En réalité, seulement 30 % des eaux souterraines

peuvent être utilisées telles quelles. Dans les 70 % restants, 30 % néces¬

sitent un traitement simple (un seul élément gênant) et 40 % doivent subirun traitement plus complexe.

Les espèces indésirables les plus fréquemment rencontrées sont : calcium,

fer, manganèse, ammoniaque, nitrates, matières organiques, particules,colloïdes. . .

Le fer et le manganèse ne sont pas considérés comme des espèces toxiques,mais on en limite les teneurs dans l'eau essentiellement pour les gênes

qu'ils peuvent causer :

- des goûts désagréables,

- une coloration de l'eau,

- des dépôts colorés (orangés-bruns noirs) qui peuvent tacher le linge,

les équipements sanitaires...,

- des colmatages de canalisation et/ou d'équipements (asperseur, buse-

lures. . .) ,

- des corrosions sous dépôts,

- des développements bactériens.

- 2 -

SYNTHESE TECHNIQUE ET ECONOMIQUE DES TRAITEMENTS

DU FER ET DU MANGANESE DISSOUS DANS LEAU

R. 35368. RHA. 4S/92

INTRODUCTION

Si, en général, les eaux exploitées pour l'irrigation sont utilisées direc¬

tement, les eaux d'adduction publique et les eaux industrielles doivent

fréquemment faire l'objet d'un traitement. Les eaux de surface sont systé¬

matiquement traitées (au minimum par filtration et chloration). On a long¬

temps pensé que les eaux souterraines étaient de meilleure qualité et donc

utilisables directement. En réalité, seulement 30 % des eaux souterraines

peuvent être utilisées telles quelles. Dans les 70 % restants, 30 % néces¬

sitent un traitement simple (un seul élément gênant) et 40 % doivent subirun traitement plus complexe.

Les espèces indésirables les plus fréquemment rencontrées sont : calcium,

fer, manganèse, ammoniaque, nitrates, matières organiques, particules,colloïdes. . .

Le fer et le manganèse ne sont pas considérés comme des espèces toxiques,mais on en limite les teneurs dans l'eau essentiellement pour les gênes

qu'ils peuvent causer :

- des goûts désagréables,

- une coloration de l'eau,

- des dépôts colorés (orangés-bruns noirs) qui peuvent tacher le linge,

les équipements sanitaires...,

- des colmatages de canalisation et/ou d'équipements (asperseur, buse-

lures. . .) ,

- des corrosions sous dépôts,

- des développements bactériens.

- 3 -

Pour éviter ces différentes nuisances, la législation française a fixé, pour

les eaux potables, des normes pour le fer et le manganèse qui limitent leurs

teneurs maximums tolerables à 200 jjg/1 et 50 yg/1 respectivement.

1 - COMPORTEMENT DU FER ET DU MANGANSE DANS LES EAUX

Dans les eaux naturelles dont le pH est généralement supérieur à 4, le ferdissous dans l'eau existe sous des formes, fer ferrique (Fe "*") , très peu

solubles. Dans certaines conditions réductrices, associées à des eaux pau¬

vres en oxygène (nappes captives, bordures de lac ou de rivière, réduction

bactérienne), le fer est sous forme de fer ferreux (Fe ) et peut atteindre

de très fortes concentrations jusqu'à, certaines fois, plus de 30 mg/l.

Le manganèse subit les mêmes règles entre les formes Mn et Mn et, selon

les conditions d'oxydo-réduction du milieu concerné, les teneurs peuvent

être plus ou moins importantes.

Pour les eaux riches en fer et en manganèse, le traitement permettant de

réduire les teneurs de ces deux éléments dissous consistera donc générale¬

ment en un processus d'oxydation capable de favoriser le passage vers des

formes peu solubles, suivi d'une étape de filtration destinée à arrêter les

précipités ainsi formés.

La vitesse d'oxydation est variable et dépendra essentiellement de laqualité de l'eau considérée. En effet, dans les eaux naturelles, le fer etle manganèse peuvent exister parfois, sous des formes complexées â des

espèces organiques (acides furmiques, acides fulviques, tanins...). Dans ces

conditions, la vitesse d'oxydation du Fe en Fe sera nettement diminuée

par la présence de matière organique qui réagira préférentiellement avec

l'agent oxydant.

- 3 -

Pour éviter ces différentes nuisances, la législation française a fixé, pour

les eaux potables, des normes pour le fer et le manganèse qui limitent leurs

teneurs maximums tolerables à 200 jjg/1 et 50 yg/1 respectivement.

1 - COMPORTEMENT DU FER ET DU MANGANSE DANS LES EAUX

Dans les eaux naturelles dont le pH est généralement supérieur à 4, le ferdissous dans l'eau existe sous des formes, fer ferrique (Fe "*") , très peu

solubles. Dans certaines conditions réductrices, associées à des eaux pau¬

vres en oxygène (nappes captives, bordures de lac ou de rivière, réduction

bactérienne), le fer est sous forme de fer ferreux (Fe ) et peut atteindre

de très fortes concentrations jusqu'à, certaines fois, plus de 30 mg/l.

Le manganèse subit les mêmes règles entre les formes Mn et Mn et, selon

les conditions d'oxydo-réduction du milieu concerné, les teneurs peuvent

être plus ou moins importantes.

Pour les eaux riches en fer et en manganèse, le traitement permettant de

réduire les teneurs de ces deux éléments dissous consistera donc générale¬

ment en un processus d'oxydation capable de favoriser le passage vers des

formes peu solubles, suivi d'une étape de filtration destinée à arrêter les

précipités ainsi formés.

La vitesse d'oxydation est variable et dépendra essentiellement de laqualité de l'eau considérée. En effet, dans les eaux naturelles, le fer etle manganèse peuvent exister parfois, sous des formes complexées â des

espèces organiques (acides furmiques, acides fulviques, tanins...). Dans ces

conditions, la vitesse d'oxydation du Fe en Fe sera nettement diminuée

par la présence de matière organique qui réagira préférentiellement avec

l'agent oxydant.

- 4 -

2 - SOLUTIONS ET TECHNIQUES DE TRAITEMENT

Les traitements sont constitués, comme nous venons de le souligner, par deux

étapes essentielles, l'oxydation et la filtration. Les procédés les plus

classiques sont :

- l'oxydation :

. par l'oxygène de l'air

* traitement physico-chimique

* traitement biologique

. par l'ozone

. par l'injection d'autres réactifs chimiques

- la filtration :

. avec préséparation (déeanteur)

. avec filtre à sable

. avec filtre bicouche (sable, anthracite...)

. avec sable catalyseur

. avec autre système de filtration (microfiltration, tangentielle) .

2.1 - Oxydation

2.1.1 - Par physico-chimie avec l'oxygène de l'air

. En ce qui concerne le fer, la réaction d'oxydation par l'oxygène de l'air

est :

4 Fe^"^ ^g J + 0^ -H 10 H2O >- 4 Fe(0H)3 + 8 H"^

En fait, si les eaux sont bicarbonatées, elle correspond à :

4 Fe(HC02)2 (a ) + °2 "^ ^ "2° *" ^ Fe(0H)3 + 8 CO2

- 4 -

2 - SOLUTIONS ET TECHNIQUES DE TRAITEMENT

Les traitements sont constitués, comme nous venons de le souligner, par deux

étapes essentielles, l'oxydation et la filtration. Les procédés les plus

classiques sont :

- l'oxydation :

. par l'oxygène de l'air

* traitement physico-chimique

* traitement biologique

. par l'ozone

. par l'injection d'autres réactifs chimiques

- la filtration :

. avec préséparation (déeanteur)

. avec filtre à sable

. avec filtre bicouche (sable, anthracite...)

. avec sable catalyseur

. avec autre système de filtration (microfiltration, tangentielle) .

2.1 - Oxydation

2.1.1 - Par physico-chimie avec l'oxygène de l'air

. En ce qui concerne le fer, la réaction d'oxydation par l'oxygène de l'air

est :

4 Fe^"^ ^g J + 0^ -H 10 H2O >- 4 Fe(0H)3 + 8 H"^

En fait, si les eaux sont bicarbonatées, elle correspond à :

4 Fe(HC02)2 (a ) + °2 "^ ^ "2° *" ^ Fe(0H)3 + 8 CO2

- 5 -

La stoechiométrie de la réaction montre qu'il faut 0,14 mg d'oxygène pour

oxyder 1 mg de fer ferreux et qu'il y a alors production de 1,92 mg de

Fe(0H)^/mg de fer oxydé.

. L'oxydation du manganèse par l'oxygène est beaucoup plus lente :

2 Mn^"^ , . + 0,, H- 2 H-0 ^^"^ » 2 MnO- + 4 H"^(aq) 2 2 2

Si l'eau est bicarbonatée, cette réaction peut se décomposer selon

Mn(HCO,) -I- 2 H<,03'2 (aq) - ^ "2" -^=^ ""0' ^^2° (aq) ^ 2 CO^ -. H2O

6(MnO, H2O) + O2 ^ H2O ^ *- ZiMn^O^, 3 H2O ,.^) + H^O

4(Mn30^, 3 H2O (^ j) -1- O2 -i- H2O ., * 6(Mn203, 2 H2O) + H2O

La vitesse d'oxydation du fer et du manganèse est d'autant plus rapide que

le pH est élevé. Le tableau ci-après montre que l'oxydation du fer est

généralement rapide pour un pH > 7 et il faut un pH > 9 pour que le manga¬

nèse précipite en deux heures :

1 pH 1 Temps d'oxydation

1 1 approximatif

Fe 1 < 7 1 2 heures

1 7,5 1 1/4 heure

Mn 1 < 9 1 > 4 heures

1 > 9,5 1 2 heures

- 5 -

La stoechiométrie de la réaction montre qu'il faut 0,14 mg d'oxygène pour

oxyder 1 mg de fer ferreux et qu'il y a alors production de 1,92 mg de

Fe(0H)^/mg de fer oxydé.

. L'oxydation du manganèse par l'oxygène est beaucoup plus lente :

2 Mn^"^ , . + 0,, H- 2 H-0 ^^"^ » 2 MnO- + 4 H"^(aq) 2 2 2

Si l'eau est bicarbonatée, cette réaction peut se décomposer selon

Mn(HCO,) -I- 2 H<,03'2 (aq) - ^ "2" -^=^ ""0' ^^2° (aq) ^ 2 CO^ -. H2O

6(MnO, H2O) + O2 ^ H2O ^ *- ZiMn^O^, 3 H2O ,.^) + H^O

4(Mn30^, 3 H2O (^ j) -1- O2 -i- H2O ., * 6(Mn203, 2 H2O) + H2O

La vitesse d'oxydation du fer et du manganèse est d'autant plus rapide que

le pH est élevé. Le tableau ci-après montre que l'oxydation du fer est

généralement rapide pour un pH > 7 et il faut un pH > 9 pour que le manga¬

nèse précipite en deux heures :

1 pH 1 Temps d'oxydation

1 1 approximatif

Fe 1 < 7 1 2 heures

1 7,5 1 1/4 heure

Mn 1 < 9 1 > 4 heures

1 > 9,5 1 2 heures

- 6 -

Généralement, les pH des eaux souterraines n'atteignent jamais ces valeurs

et l'oxydation du manganèse nécessitera donc généralement la présence de

catalyseurs, de produits chimiques, de bactéries oxydantes (cf. paragraphe

suivant) capables d'augmenter l'efficacité de l'oxydation.

2.1.2 - Par voie biologique avec l'oxygène de l'air

La présence de fer et de manganèse, associée à des conditions favorables

(température, pH, eh, 0- ...), permet le développement des bactéries du feret du manganèse qui catalysent l'oxydation de ces deux métaux.

La plupart de ces bactéries sont autotrophes, c'est-à-dire qu'elles utili¬

sent le gaz carbonique C0_ ou les bicarbonates HCO,- de l'eau, comme source

de carbone.

Les paramètres qui contrôlent la croissance bactérienne sont : la teneur en

oxygène, le pH, la teneur en fer ferreux, en matières organiques et miné¬

rales (azote, phosphates, calcium...). Ces bactéries se développent très

bien dans les eaux acides 5,5 < pH < 7, ce qui correspond tout à fait aux

conditions habituelles des eaux naturelles.

Le tableau suivant montre les conditions optimales de développement :

1 Potentiel | Teneur en oxygène

1 redox en mV | dissous en mg.l~

Déferrisation | 40 à 100 | 0,2 à 2

Démanganisation | 100 à 200 |

Nitrification | 300 à 500 | 8 à 10

L'activité biologique peut être contrariée par des brusques changements de

conditions environnementales : température extérieure de l'installation, pH

- 6 -

Généralement, les pH des eaux souterraines n'atteignent jamais ces valeurs

et l'oxydation du manganèse nécessitera donc généralement la présence de

catalyseurs, de produits chimiques, de bactéries oxydantes (cf. paragraphe

suivant) capables d'augmenter l'efficacité de l'oxydation.

2.1.2 - Par voie biologique avec l'oxygène de l'air

La présence de fer et de manganèse, associée à des conditions favorables

(température, pH, eh, 0- ...), permet le développement des bactéries du feret du manganèse qui catalysent l'oxydation de ces deux métaux.

La plupart de ces bactéries sont autotrophes, c'est-à-dire qu'elles utili¬

sent le gaz carbonique C0_ ou les bicarbonates HCO,- de l'eau, comme source

de carbone.

Les paramètres qui contrôlent la croissance bactérienne sont : la teneur en

oxygène, le pH, la teneur en fer ferreux, en matières organiques et miné¬

rales (azote, phosphates, calcium...). Ces bactéries se développent très

bien dans les eaux acides 5,5 < pH < 7, ce qui correspond tout à fait aux

conditions habituelles des eaux naturelles.

Le tableau suivant montre les conditions optimales de développement :

1 Potentiel | Teneur en oxygène

1 redox en mV | dissous en mg.l~

Déferrisation | 40 à 100 | 0,2 à 2

Démanganisation | 100 à 200 |

Nitrification | 300 à 500 | 8 à 10

L'activité biologique peut être contrariée par des brusques changements de

conditions environnementales : température extérieure de l'installation, pH

- 7 -

trop élevé, apparition d'éléments toxiques pour les bactéries (H-S, zinc,hydrocarbures. . .).

2.1.3 - Avec l'ozone (0,)

L'ozone peut être formé à partir de l'oxygène de l'air au moyen de décharges

électriques. C'est un gaz presque 10 fois plus soluble dans l'eau que

l'oxygène. Oxydant très puissant, il est utilisé dans les installations de

traitement à deux niveaux : pour la désinfection et pour l'oxydation de

certaines espèces indésirables (fer, manganèse, cyanures, phénols...).

On a fréquemment recours à l'ozone pour traiter le manganèse qui, comme on

l'a déjà noté, est difficile à oxyder. L'oxydation du manganèse se fait

selon :

Mn^"^ , . + 0, + H-0 >- MnO,, + 0,, + 2H"^(aq) 3 2 2 2

Il faut en théorie 0,87 mg d'ozone par mg de manganèse mais, en réalité, lesdoses utilisées sont 1 à 5 fois celles du manganèse. Les temps de contact

nécessaires sont courts (2 à 6 minutes), mais une oxydation trop puissante

du manganèse peut conduire à des formes dissoutes (MnO.-) donnant une colo¬

ration à l'eau (eau rose).

2.1.4 - Avec autres réactifs chimiques

* Le chlore (CI2) :

L'oxydation du fer et du manganèse par le chlore n'est pas très efficace

mais elle est fréquemment utilisée pour les eaux dont les teneurs à traitersont faibles.

Le chlore est employé principalement comme bactéricide. A partir de cer¬

taines teneurs injectées (au-dessus du point critique), il reste dans l'eau

- 7 -

trop élevé, apparition d'éléments toxiques pour les bactéries (H-S, zinc,hydrocarbures. . .).

2.1.3 - Avec l'ozone (0,)

L'ozone peut être formé à partir de l'oxygène de l'air au moyen de décharges

électriques. C'est un gaz presque 10 fois plus soluble dans l'eau que

l'oxygène. Oxydant très puissant, il est utilisé dans les installations de

traitement à deux niveaux : pour la désinfection et pour l'oxydation de

certaines espèces indésirables (fer, manganèse, cyanures, phénols...).

On a fréquemment recours à l'ozone pour traiter le manganèse qui, comme on

l'a déjà noté, est difficile à oxyder. L'oxydation du manganèse se fait

selon :

Mn^"^ , . + 0, + H-0 >- MnO,, + 0,, + 2H"^(aq) 3 2 2 2

Il faut en théorie 0,87 mg d'ozone par mg de manganèse mais, en réalité, lesdoses utilisées sont 1 à 5 fois celles du manganèse. Les temps de contact

nécessaires sont courts (2 à 6 minutes), mais une oxydation trop puissante

du manganèse peut conduire à des formes dissoutes (MnO.-) donnant une colo¬

ration à l'eau (eau rose).

2.1.4 - Avec autres réactifs chimiques

* Le chlore (CI2) :

L'oxydation du fer et du manganèse par le chlore n'est pas très efficace

mais elle est fréquemment utilisée pour les eaux dont les teneurs à traitersont faibles.

Le chlore est employé principalement comme bactéricide. A partir de cer¬

taines teneurs injectées (au-dessus du point critique), il reste dans l'eau

- 8 -

des teneurs résiduelles représentant une réserve de pouvoir oxydant capable

de conserver la qualité bactériologique de l'eau, et d'autre part d'assurer

l'oxydation du fer et du manganèse. On a notamment :

2 Fe^"^ -f CI2 -H 6 H2O » 2 FeiOH)^ + 2 Cl" -1- 6 H"^

]Mn^"^ + CI2 H- 2 H2O > Mn02 -h 2 Cl" h- 4 H"^

La consommation en chlore sera respectivement de 0,6 à 1,25 mg par mg de feret de manganèse à traiter. La vitesse d'oxydation est plus rapide que pour

l'air mais nécessitera aussi des pH élevés (généralement pH > 9).

II faut souligner que le chlore donne un goût et une odeur à l'eau, particu¬

lièrement en surconcentration et peut, en présence de matières organiques,

former des complexes indésirables.

* Le dioxyde de chlore (C10-) :

Son utilisation est moins fréquente que pour le chlore bien que sa vitesse

d'oxydation soit plus rapide pour des pH plus faibles (pH > 6,5). Les réac¬

tions sont les suivantes :

Fe^"^ + CIO2 -I- 3H2O = Fe(0H)3» + CIO2- + 3H'^

Mn^"^ -I- 2CIO2 + 2H2O = Mn02* + 2CIO2- + 4H'^

Il faut en théorie 1,2 et 2,5 mg de C10_ par mg de fer et manganèse à

oxyder. En réalité, les doses sont 1,5 à 10 fois supérieures.

Le dioxyde de chlore est environ 5 fois plus coûteux que le chlore.

- 8 -

des teneurs résiduelles représentant une réserve de pouvoir oxydant capable

de conserver la qualité bactériologique de l'eau, et d'autre part d'assurer

l'oxydation du fer et du manganèse. On a notamment :

2 Fe^"^ -f CI2 -H 6 H2O » 2 FeiOH)^ + 2 Cl" -1- 6 H"^

]Mn^"^ + CI2 H- 2 H2O > Mn02 -h 2 Cl" h- 4 H"^

La consommation en chlore sera respectivement de 0,6 à 1,25 mg par mg de feret de manganèse à traiter. La vitesse d'oxydation est plus rapide que pour

l'air mais nécessitera aussi des pH élevés (généralement pH > 9).

II faut souligner que le chlore donne un goût et une odeur à l'eau, particu¬

lièrement en surconcentration et peut, en présence de matières organiques,

former des complexes indésirables.

* Le dioxyde de chlore (C10-) :

Son utilisation est moins fréquente que pour le chlore bien que sa vitesse

d'oxydation soit plus rapide pour des pH plus faibles (pH > 6,5). Les réac¬

tions sont les suivantes :

Fe^"^ + CIO2 -I- 3H2O = Fe(0H)3» + CIO2- + 3H'^

Mn^"^ -I- 2CIO2 + 2H2O = Mn02* + 2CIO2- + 4H'^

Il faut en théorie 1,2 et 2,5 mg de C10_ par mg de fer et manganèse à

oxyder. En réalité, les doses sont 1,5 à 10 fois supérieures.

Le dioxyde de chlore est environ 5 fois plus coûteux que le chlore.

- 9 -

* Le permanganate de potassium (KMnO.) :

Le manganèse est fréquemment traité par le permanganate de potassium car

c'est un oxydant fort et, contrairement au chlore, il ne laisse pas de goût

ni d'odeur et de plus il nécessite des quantités souvent inférieures à

celles calculées théoriquement. Les vitesses d'oxydation sont rapides pour

des pH entre 6 et 9. On a :

SFe^"^ + KMnO^ -f 7H2O = 3Fe(0H)2' + Mn02« -h K"^ -1- SH"^

]3Mn'^"^ + 2KMnO. + 2H-0 = 5Mn0-» + 2K"^ + AH*'

4 2 2

]

Il faut souligner qu'un surdosage de permanganate peut conduire à une colo¬

ration résiduelle de l'eau traitée.

2.1.5 - Coagulation-floculation

Le fer et le manganèse complexés aux matières organiques sont très diffici¬

lement oxydables et/ou filtrables. Une injection de coagulant (sulfated'alumine, sulfate ferrique, chlorure ferrique) va permettre la précipita¬tion du fer et du manganèse. Une floculation va ensuite favoriser la coales¬

cence des particules précipitées pour assurer une meilleure efficacité de

sédimentation et de filtration.

2.2 - Filtration

C'est la séparation physique des précipités, oxydes et hydroxydes de fer et

manganèse formés dans l'étape d'oxydation.

Il existe plusieurs types de filtres (lents, rapides, sous pression) ; ilssont sélectionnés en fonction des caractéristiques du site concerné (quan¬

tité et taille des particules, place disponible).

- 9 -

* Le permanganate de potassium (KMnO.) :

Le manganèse est fréquemment traité par le permanganate de potassium car

c'est un oxydant fort et, contrairement au chlore, il ne laisse pas de goût

ni d'odeur et de plus il nécessite des quantités souvent inférieures à

celles calculées théoriquement. Les vitesses d'oxydation sont rapides pour

des pH entre 6 et 9. On a :

SFe^"^ + KMnO^ -f 7H2O = 3Fe(0H)2' + Mn02« -h K"^ -1- SH"^

]3Mn'^"^ + 2KMnO. + 2H-0 = 5Mn0-» + 2K"^ + AH*'

4 2 2

]

Il faut souligner qu'un surdosage de permanganate peut conduire à une colo¬

ration résiduelle de l'eau traitée.

2.1.5 - Coagulation-floculation

Le fer et le manganèse complexés aux matières organiques sont très diffici¬

lement oxydables et/ou filtrables. Une injection de coagulant (sulfated'alumine, sulfate ferrique, chlorure ferrique) va permettre la précipita¬tion du fer et du manganèse. Une floculation va ensuite favoriser la coales¬

cence des particules précipitées pour assurer une meilleure efficacité de

sédimentation et de filtration.

2.2 - Filtration

C'est la séparation physique des précipités, oxydes et hydroxydes de fer et

manganèse formés dans l'étape d'oxydation.

Il existe plusieurs types de filtres (lents, rapides, sous pression) ; ilssont sélectionnés en fonction des caractéristiques du site concerné (quan¬

tité et taille des particules, place disponible).

-lo

ll faut distinguer parmi les matériaux filtrants :

- les matériaux traditionnels : sable, gravier, anthracite,

- les matériaux manganisés, c'est-à-dire qui allient la catalyse avec lafiltration.

* Le sable :

Le filtre à sable monocouche est fréquemment employé. La granulométrie é><

sable et la hauteur de couche doivent être déterminées en fonction de lanature de l'eau à traiter. Les vitesses de passage sont généralement

voisines de 5 m/h. Pour le traitement biologique, la rapidité d'oxydationpermet des vitesses plus importantes jusqu'à plus de 20 m/h parfois.Dans les filtres à sable où l'écoulement se fait de haut en bas, les

lavages se font à contre-courant (avec eau, eau et air), entraînant ainsivers l'égout les particules accumulées au sommet de la masse filtrante.

* L'anthracite :

Après plusieurs lavages, le sable des filtres se stratifié et le sable

fin qui reste en surface est ensuite très vite colmaté. Pour éviter ce

problème, on peut surmonter le sable par une couche d'anthracite plus

léger que le sable qui évitera ainsi les colmatages précoces des filtres.

* Matériaux manganisés :

On a observé des phénomènes de catalyse dus à d'anciens dépôts d'oxyde de

manganèse ; on a ensuite développé l'utilisation de cette catalyse par

l'emploi de matériaux tels que des sables enrobés d'oxydes de manganèse,

de zeolites manganisées, de nodules polymétalliques, etc.

Ces matériaux filtrants permettent d'obtenir une accélération de l'oxyda¬

tion du manganèse à des pH nettement plus faibles (7 < pH < 8) que ceux

nécessaires à l'oxydation physico-chimique.

- Les eaux de lavage des filtres contiennent des quantités importantes de

matières en suspension (hydroxyde de fer et de manganèse). Ce espèces ne

sont pas toxiques mais, dans le cas de rejet dans le milieu naturel, des

autorisations préalables devront être demandées aux administrations concer¬

nées.

-lo

ll faut distinguer parmi les matériaux filtrants :

- les matériaux traditionnels : sable, gravier, anthracite,

- les matériaux manganisés, c'est-à-dire qui allient la catalyse avec lafiltration.

* Le sable :

Le filtre à sable monocouche est fréquemment employé. La granulométrie é><

sable et la hauteur de couche doivent être déterminées en fonction de lanature de l'eau à traiter. Les vitesses de passage sont généralement

voisines de 5 m/h. Pour le traitement biologique, la rapidité d'oxydationpermet des vitesses plus importantes jusqu'à plus de 20 m/h parfois.Dans les filtres à sable où l'écoulement se fait de haut en bas, les

lavages se font à contre-courant (avec eau, eau et air), entraînant ainsivers l'égout les particules accumulées au sommet de la masse filtrante.

* L'anthracite :

Après plusieurs lavages, le sable des filtres se stratifié et le sable

fin qui reste en surface est ensuite très vite colmaté. Pour éviter ce

problème, on peut surmonter le sable par une couche d'anthracite plus

léger que le sable qui évitera ainsi les colmatages précoces des filtres.

* Matériaux manganisés :

On a observé des phénomènes de catalyse dus à d'anciens dépôts d'oxyde de

manganèse ; on a ensuite développé l'utilisation de cette catalyse par

l'emploi de matériaux tels que des sables enrobés d'oxydes de manganèse,

de zeolites manganisées, de nodules polymétalliques, etc.

Ces matériaux filtrants permettent d'obtenir une accélération de l'oxyda¬

tion du manganèse à des pH nettement plus faibles (7 < pH < 8) que ceux

nécessaires à l'oxydation physico-chimique.

- Les eaux de lavage des filtres contiennent des quantités importantes de

matières en suspension (hydroxyde de fer et de manganèse). Ce espèces ne

sont pas toxiques mais, dans le cas de rejet dans le milieu naturel, des

autorisations préalables devront être demandées aux administrations concer¬

nées.

- 11 -

3 - COMPARAISON DES DIFFERENTES METHODES

3.1 - Avantages et inconvénients des différentes méthodes

Les différentes techniques utilisées pour le traitement du fer et du manga¬

nèse sont toutes adaptées à chaque problème particulier à résoudre. Les

avantages et inconvénients pour chacune d'elles sont présentés dans letableau ci-après.

3.2 - Aspect économique des différentes méthodes

Il serait inutile de vouloir comparer les coûts de toutes les différentes

techniques de traitement du fer et du manganèse car, en fonction de laqualité de l'eau à traiter, seules certaines techniques seront utilisables

et ce ne seront pas nécessairement les moins coûteuses (par exemple, le fercomplexé aux matériaux organiques, les variations de teneurs...).

On constate généralement que, parmi les procédés chimiques de traitement,

par rapport au biologique, le physico-chimique est environ 30 à 40 % plus

cher et l'ozone de 40 à 50 %. Le traitement par réactif se situant entre le

biologique et le physico-chimique. Comme nous l'avons souligné dans leparagraphe précédent, toutes ces techniques ont des avantages et des incon¬

vénients et, quels que soient leurs coûts respectifs, certaines devront êtreprivilégiées pour résoudre des problèmes précis (ozone pour les eaux de très

mauvaise qualité bactériologique, biologique pour les teneurs variables,

etc. . .) .

3.3 - La démarche indispensable

Si, face à un problème de traitement d'eau, la réaction d'un maître d'ou¬

vrage ou d'un maître d'oeuvre non spécialisé est de s'adresser directementet en catastrophe aux "grands traiteurs d'eau" les plus connus, et ce sans

cachier des charges très précis, le résultat en est le plus souvent la mise

en place d'installations surdimensionnées et donc plus coûteuses.

- 11 -

3 - COMPARAISON DES DIFFERENTES METHODES

3.1 - Avantages et inconvénients des différentes méthodes

Les différentes techniques utilisées pour le traitement du fer et du manga¬

nèse sont toutes adaptées à chaque problème particulier à résoudre. Les

avantages et inconvénients pour chacune d'elles sont présentés dans letableau ci-après.

3.2 - Aspect économique des différentes méthodes

Il serait inutile de vouloir comparer les coûts de toutes les différentes

techniques de traitement du fer et du manganèse car, en fonction de laqualité de l'eau à traiter, seules certaines techniques seront utilisables

et ce ne seront pas nécessairement les moins coûteuses (par exemple, le fercomplexé aux matériaux organiques, les variations de teneurs...).

On constate généralement que, parmi les procédés chimiques de traitement,

par rapport au biologique, le physico-chimique est environ 30 à 40 % plus

cher et l'ozone de 40 à 50 %. Le traitement par réactif se situant entre le

biologique et le physico-chimique. Comme nous l'avons souligné dans leparagraphe précédent, toutes ces techniques ont des avantages et des incon¬

vénients et, quels que soient leurs coûts respectifs, certaines devront êtreprivilégiées pour résoudre des problèmes précis (ozone pour les eaux de très

mauvaise qualité bactériologique, biologique pour les teneurs variables,

etc. . .) .

3.3 - La démarche indispensable

Si, face à un problème de traitement d'eau, la réaction d'un maître d'ou¬

vrage ou d'un maître d'oeuvre non spécialisé est de s'adresser directementet en catastrophe aux "grands traiteurs d'eau" les plus connus, et ce sans

cachier des charges très précis, le résultat en est le plus souvent la mise

en place d'installations surdimensionnées et donc plus coûteuses.

LES DIFFERENTES TECHNIQUES DU TRAITEMENT DU FER ET DU MANGANESE

Physico-chimieà l'air

Biologique

Ozone

Chlore

Dioxyde dechlore

Permanganate

Coagulation-Floculation

AVANTAGES

Simple, élimination de C02 agressif, pas deréactif - Intéressant si fer seul

Plus rapide que la physico-chimie, moins coûteux,accepte des variations des teneurs en Fe-Mn

Oxydation très rapide (Fe, Mn) , bactéricide,excès de réactif, s'autodétruit

Oxydation plus rapide que la physico-chimie,bactéricide et effet rémanent - Intéressant pourles faibles teneurs dans des eaux simples

Plus performant que le chlore, bactéricide eteffet rémanent

Très performant, bactéricide, faible quantitéde réactif, pas de goût ni d'odeur

Efficace pour les complexes fer et manganèseavec les matières organiques

INCONVENIENTS

Pas de traitement du Mn sans modification de pH(process complémentaire) - Pas d'effet bacté¬ricide

Long au démarrage, fragilité des bactéries (tem¬pérature, agent inhibiteur) - Pas d'effetbactéricide

Coûteux, floc plus difficile à filtrer, risque"eau rose" si oxydation trop forte, n'acceptepas les variations des teneurs en Fe-Mn -Pas d'effet bactéricide rémanent

Dosage précis à respecter, problèmes de réac¬tions du chlore avec les matières organiques,n'accepte pas les variations des teneurs - Goûts,odeurs et réaction avec la matière organique

Plus coûteux que le chlore, dosage précis,n'accepte pas les variations des teneurs, odeurs

Dosage précis à respecter (coloration), n'acceptepas les variations des teneurs - Pas d'effetbactéricide rémanent

Plus coûteux (réactifs et dimensionnement plusimportant) - Pas d'effet bactéricide

LES DIFFERENTES TECHNIQUES DU TRAITEMENT DU FER ET DU MANGANESE

Physico-chimieà l'air

Biologique

Ozone

Chlore

Dioxyde dechlore

Permanganate

Coagulation-Floculation

AVANTAGES

Simple, élimination de C02 agressif, pas deréactif - Intéressant si fer seul

Plus rapide que la physico-chimie, moins coûteux,accepte des variations des teneurs en Fe-Mn

Oxydation très rapide (Fe, Mn) , bactéricide,excès de réactif, s'autodétruit

Oxydation plus rapide que la physico-chimie,bactéricide et effet rémanent - Intéressant pourles faibles teneurs dans des eaux simples

Plus performant que le chlore, bactéricide eteffet rémanent

Très performant, bactéricide, faible quantitéde réactif, pas de goût ni d'odeur

Efficace pour les complexes fer et manganèseavec les matières organiques

INCONVENIENTS

Pas de traitement du Mn sans modification de pH(process complémentaire) - Pas d'effet bacté¬ricide

Long au démarrage, fragilité des bactéries (tem¬pérature, agent inhibiteur) - Pas d'effetbactéricide

Coûteux, floc plus difficile à filtrer, risque"eau rose" si oxydation trop forte, n'acceptepas les variations des teneurs en Fe-Mn -Pas d'effet bactéricide rémanent

Dosage précis à respecter, problèmes de réac¬tions du chlore avec les matières organiques,n'accepte pas les variations des teneurs - Goûts,odeurs et réaction avec la matière organique

Plus coûteux que le chlore, dosage précis,n'accepte pas les variations des teneurs, odeurs

Dosage précis à respecter (coloration), n'acceptepas les variations des teneurs - Pas d'effetbactéricide rémanent

Plus coûteux (réactifs et dimensionnement plusimportant) - Pas d'effet bactéricide

- 13 -

Un maître d'ouvrage qui s'adresse à un maître d'oeuvre spécialiste de l'eausouterraine et du traitement de l'eau sait qu'il aura :

- un bureau d'études indépendant vis-à-vis des entreprises,

- un savoir-faire,

- un cahier des charges précis avec un coût d'objectif pour chacune des

différentes options (y compris ressource de substitution),

- un procédé aussi simple que possible,

- une large consultation des entreprises,

- les références des entreprises consultées,- un contrôle des travaux réalisés.

Le traitement industriel sera donc optimisé et réalisé au moindre coût.

3.4 - Comparaison de coûts de réalisation

Examinons le cas d'un traitement de fer et de manganèse d'une eau potable

qui a fait l'objet d'une consultation dans le cadre d'une maîtrise d'oeuvre

spécialisée.

* Caractéristique : débit 100 m3/h continu

Fe, Mn : 5 mg/l et 0,5 mg/l respectivement avec des

teneurs variables.

* Maîtrise d'oeuvre : coût d'objectif : 1 MF

rémunération : (15 %) : 150 KF (code marchés publics)* Consultation avec maîtrise d'oeuvre : 0,900 à 1 ,6 MF

(biologique, chimique)

Cet exemple pour un cas précis montre que, même avec une maîtrise d'oeuvre

spécialisée et donc avec un cahier des charges précis, on obtient des coûts

de réalisation avec une fourchette assez large, jusqu'à plus de 75 % supé¬

rieure à la moins-disante. Les entreprises consultées proposent des offresassez différentes les unes des autres, ceci en fonction de la taille de

l'entreprise, de leurs références, de leurs plans de forage au moment de laconsultation, etc.

- 13 -

Un maître d'ouvrage qui s'adresse à un maître d'oeuvre spécialiste de l'eausouterraine et du traitement de l'eau sait qu'il aura :

- un bureau d'études indépendant vis-à-vis des entreprises,

- un savoir-faire,

- un cahier des charges précis avec un coût d'objectif pour chacune des

différentes options (y compris ressource de substitution),

- un procédé aussi simple que possible,

- une large consultation des entreprises,

- les références des entreprises consultées,- un contrôle des travaux réalisés.

Le traitement industriel sera donc optimisé et réalisé au moindre coût.

3.4 - Comparaison de coûts de réalisation

Examinons le cas d'un traitement de fer et de manganèse d'une eau potable

qui a fait l'objet d'une consultation dans le cadre d'une maîtrise d'oeuvre

spécialisée.

* Caractéristique : débit 100 m3/h continu

Fe, Mn : 5 mg/l et 0,5 mg/l respectivement avec des

teneurs variables.

* Maîtrise d'oeuvre : coût d'objectif : 1 MF

rémunération : (15 %) : 150 KF (code marchés publics)* Consultation avec maîtrise d'oeuvre : 0,900 à 1 ,6 MF

(biologique, chimique)

Cet exemple pour un cas précis montre que, même avec une maîtrise d'oeuvre

spécialisée et donc avec un cahier des charges précis, on obtient des coûts

de réalisation avec une fourchette assez large, jusqu'à plus de 75 % supé¬

rieure à la moins-disante. Les entreprises consultées proposent des offresassez différentes les unes des autres, ceci en fonction de la taille de

l'entreprise, de leurs références, de leurs plans de forage au moment de laconsultation, etc.

- 14 -

4 - CAS PARTICULIER DE LA SEMINE

Le Syndicat Intercommunal des Eaux de la Semine est préoccupé par les

teneurs excessives en fer et manganèse dans les eaux souterraines qu'il

exploite à Bange.

Les premières observations relatives aux problèmes posés par la qualité des

eaux des forages de Bange remontent à 1982. Par la suite, ce n'est qu'en

1987 que la dégradation de cette qualité s'est fait ressentir avec acuité.

Cette année-là, il a été observé, à la suite.de la vidange du barrage de

Génissiat, un glissement de terrain à Bange. Les événements ont été accom¬

pagnés par la rupture (ou le décalage) de la buse qui conduit les eaux usées

de Bange vers le Rhône. Les eaux infiltrées ont rejoint la nappe captée par

les forages d'eau potable.

A la suite de ces événements, des algues vertes ont été observées au réser¬

voir qui stocke les eaux prélevées en nappe. Les analyses pratiquées par

l'Institut Pasteur ont confirmé la présence des algues et ont mis en évi¬

dence l'existence à ce niveau de bactéries du fer.

Pour parer à cet inconvénient, une chloration préventive a été mise en place

au niveau du forage. Cependant, après quelques mois de fonctionnement, il

est apparu pour la première fois dans la piscine, une eau de couleur noire

chargée de particules en suspension.

Les excès de manganèse et de fer constatés dans les eaux potables du Syndi¬

cat de la Semine ont fait l'objet de plusieurs campagnes d'investigationsces dernières années.

La surveillance de la composition physico-chimique des forages Fib et F3 a

permis de mettre en évidence les différences de concentration en Fe et Mn

des eaux de ces deux ouvrages, malgré leur proximité. Celles de Fib sont

généralement exemptes de Fe-Mn en excès. Les eaux du forage Fib proviennent

pour une part prépondérante du Rhône. Leur oxygénation plus importante, etmarquée en particulier au niveau des composés azotés, est suffisante pour

que le phénomène perturbateur ne se développe pas.

- 14 -

4 - CAS PARTICULIER DE LA SEMINE

Le Syndicat Intercommunal des Eaux de la Semine est préoccupé par les

teneurs excessives en fer et manganèse dans les eaux souterraines qu'il

exploite à Bange.

Les premières observations relatives aux problèmes posés par la qualité des

eaux des forages de Bange remontent à 1982. Par la suite, ce n'est qu'en

1987 que la dégradation de cette qualité s'est fait ressentir avec acuité.

Cette année-là, il a été observé, à la suite.de la vidange du barrage de

Génissiat, un glissement de terrain à Bange. Les événements ont été accom¬

pagnés par la rupture (ou le décalage) de la buse qui conduit les eaux usées

de Bange vers le Rhône. Les eaux infiltrées ont rejoint la nappe captée par

les forages d'eau potable.

A la suite de ces événements, des algues vertes ont été observées au réser¬

voir qui stocke les eaux prélevées en nappe. Les analyses pratiquées par

l'Institut Pasteur ont confirmé la présence des algues et ont mis en évi¬

dence l'existence à ce niveau de bactéries du fer.

Pour parer à cet inconvénient, une chloration préventive a été mise en place

au niveau du forage. Cependant, après quelques mois de fonctionnement, il

est apparu pour la première fois dans la piscine, une eau de couleur noire

chargée de particules en suspension.

Les excès de manganèse et de fer constatés dans les eaux potables du Syndi¬

cat de la Semine ont fait l'objet de plusieurs campagnes d'investigationsces dernières années.

La surveillance de la composition physico-chimique des forages Fib et F3 a

permis de mettre en évidence les différences de concentration en Fe et Mn

des eaux de ces deux ouvrages, malgré leur proximité. Celles de Fib sont

généralement exemptes de Fe-Mn en excès. Les eaux du forage Fib proviennent

pour une part prépondérante du Rhône. Leur oxygénation plus importante, etmarquée en particulier au niveau des composés azotés, est suffisante pour

que le phénomène perturbateur ne se développe pas.

- 15 -

Les eaux du forage F3 proviennent pour l'essentiel de la nappe phréatique

placée dans des conditions d'oxydo-réduction favorables à la présence de fer

et de manganèse dissous. Les teneurs observées sur cet ouvrage semblent

fluctuer de façon significative.

La présence même épisodique de fer et de manganèse dissous dans les eaux

captées crée des dépôts colorés qui se déposent dans le réseau et lesstockages et constituent une gêne importante pour le consommateur.

Une station de traitement doit donc être mise en place pour remédier à ces

problèmes ; la variation des teneurs observées dans les ouvrages de captages

nécessite l'utilisation d'un procédé de traitement biologique qui sera à

même d'accepter ces différences de teneurs dissoutes.

* *

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Les eaux du forage F3 proviennent pour l'essentiel de la nappe phréatique

placée dans des conditions d'oxydo-réduction favorables à la présence de fer

et de manganèse dissous. Les teneurs observées sur cet ouvrage semblent

fluctuer de façon significative.

La présence même épisodique de fer et de manganèse dissous dans les eaux

captées crée des dépôts colorés qui se déposent dans le réseau et lesstockages et constituent une gêne importante pour le consommateur.

Une station de traitement doit donc être mise en place pour remédier à ces

problèmes ; la variation des teneurs observées dans les ouvrages de captages

nécessite l'utilisation d'un procédé de traitement biologique qui sera à

même d'accepter ces différences de teneurs dissoutes.

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