Circuit et traitement (partie 1/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire le procédé de potabilisation de l’eau destiné à la consommation humaine dans un contexte camerounais. - Identifier les étapes clés du traitement (coagulation‑floculation, sédimentation, filtration, désinfection) et leurs paramètres de contrôle. - Réaliser un schéma fonctionnel d’une unité de traitement d’eau potable adaptée à une petite collectivité ou à un chantier de construction. - Appliquer les normes de qualité de l’eau potable (OMS, norme camerounaise NC 03‑001) et les règles de sécurité/hygiène associées. - Effectuer un calcul simple de dosage de coagulant et de chloration. **Prérequis** : - Notions de base en chimie générale (solutions, pH, réactions d’oxydo‑réduction). - Connaissances en hydraulique de base (débit, perte de charge). - Lecture de schémas de procédés et interprétation de symboles normalisés (ISO 1219). - Règles d’hygiène et de sécurité sur les chantiers (port des EPI, manipulation de produits chimiques). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, l’accès à l’eau potable reste un défi majeur, surtout en milieu rural et sur les chantiers de construction où les travailleurs sont exposés à des risques sanitaires liés à la consommation d’eau non traitée. Le programme officiel de la série F4 (Terminale) intègre donc l’étude du **circuit et traitement de l’eau potable** afin de former des techniciens capables de concevoir, exploiter et maintenir des unités de traitement adaptées aux contraintes locales (disponibilité des produits chimiques, énergie, maintenance). Ce chapitre s’appuie sur la **Leçon 16 – Eau potable** du référentiel MINESEC/IGE, suivie d’activités d’intégration permettant de mettre en pratique les acquis, puis d’activités de remédiation pour consolider les points difficiles. --- ## I. Leçon 16 – Eau potable ### A. Notions fondamentales > **Eau potable** : eau destinée à la consommation humaine qui satisfait aux exigences microbiologiques, chimiques et physiques définies par les normes nationales et internationales. Les paramètres de qualité essentiels sont : | Paramètre | Limite OMS / NC 03‑001 | Unité | Méthode de contrôle | |-----------|------------------------|-------|---------------------| | Coliformes totaux | 0 UFC/100 mL | UFC/100 mL | Filtration sur membrane | | E. coli | 0 UFC/100 mL | UFC/100 mL | Même méthode | | Turbidité | ≤ 5 NTU | NTU | Néphélométrie | | pH | 6,5 – 8,5 | – | pH‑mètre | | Chlorine résiduelle libre | 0,2 – 0,5 mg/L | mg/L | DPD‑colorimétrie | | Nitrates | ≤ 50 mg/L | mg/L | Spectrophotométrie | | Plomb | ≤ 10 µg/L | µg/L | ICP‑MS | ### B. Schéma de traitement conventionnel Le traitement de l’eau potable suit généralement quatre étapes successives : 1. **Pré‑traitement** (désagrégation, pré‑chloration éventuelle). 2. **Coagulation‑floculation** : ajout d’un coagulant (sulfate d’aluminium – Al₂(SO₄)₃·18H₂O ou chlorure ferrique – FeCl₃) pour destabiliser les particules colloïdales. 3. **Sédimentation** : les flocs formés se déposent au fond d’un bassin par gravité. 4. **Filtration** : passage à travers un lit de sable (ou sable‑anthracite) pour retenir les particules restantes. 5. **Désinfection** : injection de chlore gazeux, d’hypochlorite de sodium (NaOCl) ou d’ozone pour éliminer les pathogènes. > **Coagulant** : substance chimique qui neutralise les charges électriques des particules en suspension, favorisant leur agrégation en flocs. ### C. Principes de fonctionnement et paramètres de contrôle #### 1. Coagulation‑floculation - **Dose optimale** : fonction de la turbidité initiale (TU) et du pH. Une formule empirique fréquemment utilisée au Cameroun est : \[ D = k \times TU^{0,5} \] où \(D\) est la dose en mg/L de Al₂(SO₄)₃, \(TU\) la turbidité en NTU, et \(k\) un coefficient dépendant de la qualité de l’eau (généralement entre 2 et 4). - **Exemple chiffré** : Une eau de rivière présente une turbidité de 30 NTU. En prenant \(k = 3\), \[ D = 3 \times \sqrt{30} \approx 3 \times 5,48 = 16,4 \text{ mg/L} \] On prépare donc une solution de sulfate d’aluminium à 16,4 mg/L (soit 16,4 g pour 1 m³ d’eau). - **Contrôle** : mesure du pH après coagulation (idéalement entre 6,5 et 7,5) et test de la turbidité résiduelle (< 1 NTU) avant sédimentation. #### 2. Sédimentation - **Vitesse de montée** : \(v = Q / A\) où \(Q\) est le débit (m³/h) et \(A\) la surface du bassin (m²). Pour une bonne décantation, \(v\) doit être inférieur à 0,5 m/h. - **Temps de rétention** : généralement 2 à 4 h. #### 3. Filtration - **Vitesse de filtration** : 5 à 15 m/h (débit superficial). - **Perte de charge** : surveillée par un manomètre; lorsqu’elle dépasse 0,5 bar, un contre‑lavage est déclenché. #### 4. Désinfection au chlore - **Demande en chlore** : fonction de la matière organique (mesurée par la DBO₅) et du pH. Formule simplifiée : \[ C_{Cl_2} = \frac{DBO_5 \times 1,5}{1000} + 0,2 \] où \(C_{Cl_2}\) est la dose de chlore libre en mg/L. - **Exemple** : DBO₅ = 2 mg/L → \[ C_{Cl_2} = \frac{2 \times 1,5}{1000} + 0,2 = 0,003 + 0,2 = 0,203 \text{ mg/L} \] On arrête à 0,25 mg/L pour assurer une marge de sécurité. - **Temps de contact** : minimum 30 min à pH ≤ 8 pour une inactivation efficace des virus. ### D. Normes et règles de sécurité/hygiène - **Manipulation des coagulants** : porter gants nitrile, lunettes de protection, masque anti‑poussière. Les solutions sont corrosives; éviter le contact avec la peau et les yeux. - **Stockage** : dans des bacs étanches, éloignés des sources de chaleur et des incompatibles (bases fortes pour les sels d’aluminium). - **Élimination des boues** : les boues de sédimentation sont déshydratées puis envoyées à une station de traitement des boues ou utilisées en amendement agricole après analyse de métaux lourds. - **Qualité de l’eau distribuée** : relevés hebdomadaires de coliformes, turbidité et chlorine résiduelle; consignation dans un registre de suivi. ### E. Exemple de schéma fonctionnel (atelier) Dans un atelier de lycée technique, on peut réaliser une mini‑unité de traitement composée de : - Un bac de mélange (20 L) avec agitateur magnétique. - Un tube de sédimentation en PVC (diamètre 10 cm, hauteur 50 cm). - Une colonne de filtration remplie de sable 0,5 mm (hauteur 30 cm). - Un doseur péristaltique pour l’hypochlorite de sodium. Les élèves mesurent débit, turbidité, pH et chlorine résiduelle à chaque étape, puis comparent aux normes. --- ## II. Activités d’intégration ### A. Mise en situation professionnelle **Scénario** : Un chantier de construction de logements sociaux à Yaoundé accueille 120 ouvriers. L’alimentation en eau provient d’un forage présentant une turbidité moyenne de 25 NTU et une présence occasionnelle de coliformes. Le responsable sécurité doit garantir une eau potable conforme aux normes. ### B. Étapes de réalisation 1. **Diagnostic de l’eau brute** : mesure de la turbidité, pH, présence de coliformes (kit de terrain). 2. **Calcul du dose de coagulant** : utilisation de la formule \(D = k \times TU^{0,5}\) avec \(k = 3\). 3. **Préparation de la solution de sulfate d’aluminium** : dissolution dans un récipient gradué, agitation. 4. **Injection du coagulant** : pompe doseuse réglée sur le débit d’eau brute (ex. 0,5 m³/h). 5. **Observation de la floculation** : temps de mélange rapide (2 min) puis lente (15 min). 6. **Sédimentation** : passage dans un bassin de décantation (volume adapté au débit). 7. **Filtration** : colonne de sable, contrôle de la perte de charge. 8. **Désinfection** : dosage d’hypochlorite de sodium pour atteindre 0,3 mg/L de chlorine libre. 9. **Contrôle final** : mesure de la turbidité (< 5 NTU), pH (6,5‑8,5), chlorine résiduelle (0,2‑0,5 mg/L), absence de coliformes. ### C. Livrables attendus - Tableau de suivi des paramètres (brut, après chaque étape, final). - Schéma fonctionnel légendé (ISO 1219). - Rapport de conformité incluant les écarts éventuels et les actions correctives. - Fiche de sécurité des produits utilisés (FDS). ### D. Évaluation - **Compétence C1** : maîtriser le procédé de traitement (note sur 20). - **Compétence C2** : appliquer les normes de qualité et de sécurité (note sur 20). - **Compétence C3** : rédiger un rapport technique clair et structuré (note sur 20). --- ## III. Activités de remédiation ### A. Points fréquemment sources d’erreur | Point | Erreur fréquente | Conséquence | Correction | |-------|------------------|-------------|------------| | Dose de coagulant | Sous‑dosage (ou sur‑dosage) basé sur une estimation visuelle | Flocs insuffisants ou excès d’aluminium → turbidité élevée ou risque de toxicité | Utiliser la formule empirique et vérifier avec un jar test | | pH après coagulation | Oublier de mesurer le pH | Réduction de l’efficacité de la coagulation, formation de flocs instables | Mesurer le pH immédiatement après injection et corriger avec de la chaux ou de l’acide si nécessaire | | Temps de contact chlore | Considérer uniquement la concentration, ignorer le temps | Inactivation incomplète des virus | Respecter le produit C·t (concentration × temps) ≥ 15 mg·min/L à pH ≤ 8 | | Perte de charge du filtre | Ne pas déclencher le contre‑lavage à temps | Colmatage, baisse du débit, risque de rupture du lit de sable | Surveiller la perte de charge; lancer le contre‑lavage dès dépassement de 0,5 bar | | Manipulation des produits chimiques | Ne pas porter d’EPI | Irritations cutanées, inhalation de vapeurs toxiques | Imposer le port de gants, lunettes, masque et respecter les FDS | ### B. Exercices de remédiation (corrigés) **Exercice 1** : Une eau de forage présente une turbidité de 18 NTU. Déterminer la dose de sulfate d’aluminium nécessaire avec \(k = 3,5\). **Corrigé** : \[ D = 3,5 \times \sqrt{18} = 3,5 \times 4,24 = 14,84 \text{ mg/L} \] On prépare donc 14,8 g de Al₂(SO₄)₃·18H₂O par m³ d’eau. **Exercice 2** : Après coagulation, le pH mesuré est 5,8. Quelle quantité de chaux (Ca(OH)₂, pureté 90 %) faut‑il ajouter pour porter le pH à 7,0, sachant que 1 g de chaux pure augmente le pH de 0,1 unité dans 1 L d’eau à cette concentration ? **Corrigé** : Augmentation nécessaire = 7,0 − 5,8 = 1,2 pH. Pour 1 L, il faut \(1,2 / 0,1 = 12\) g de chaux pure. Avec une pureté de 90 %, la masse réelle = \(12 / 0,9 = 13,3\) g. Pour un débit de 0,3 m³/h, sur une heure il faut \(13,3 \times 300 = 3990\) g ≈ 4,0 kg de chaux. **Exercice 3** : Un bassin de sédimentation reçoit un débit de 0,6 m³/h. Quelle doit être la surface minimale pour garantir une vitesse de montée ≤ 0,4 m/h ? **Corrigé** : \[ A = \frac{Q}{v_{max}} = \frac{0,6}{0,4} = 1,5 \text{ m}^2 \] On choisira un bassin de 2 m² pour marge de sécurité. ### C. Synthèse des points à retenir > **Règle de dosage du coagulant** : \(D = k \times \sqrt{TU}\) (mg/L). > **pH optimal de coagulation** : 6,5 – 7,5. > **Vitesse de montée en sédimentation** : ≤ 0,5 m/h. > **Perte de charge limite du filtre** : 0,5 bar → déclenchement du contre‑lavage. > **Dose de chlore libre recommandée** : 0,2 – 0,5 mg/L avec temps de contact ≥ 30 min. > **Port obligatoire des EPI** : gants nitrile, lunettes, masque lors de la manipulation des coagulants et du chlore. > **Élimination des boues** : déshydratation puis orientation vers une station de traitement ou usage agricole après analyse. > **Contrôle qualité hebdomadaire** : turbidité, pH, chlorine résiduelle, coliformes. --- ## Synthèse du chapitre - **Eau potable** : eau conforme aux normes microbiologiques, chimiques et physiques. - **Étapes de traitement** : coagulation‑floculation → sédimentation → filtration → désinfection. - **Paramètres clés** : turbidité, pH, dose de coagulant, vitesse de montée, perte de charge, chlorine résiduelle, temps de contact. - **Formules utiles** : - Dose coagulant : \(D = k \times \sqrt{TU}\) - Demande chlore : \(C_{Cl_2} = \frac{DBO_5 \times 1,5}{1000} + 0,2\) - Vitesse de montée : \(v = Q / A\) - **Normes camerounaises** : NC 03‑001 (limites de coliformes, turbidité, pH, chlorine, nitrates, plomb). - **Sécurité** : port d’EPI, stockage adapté, gestion des boues, suivi hebdomadaire. - **Application professionnelle** : dimensionnement d’une unité de traitement pour un chantier ou une petite collectivité, rédaction de rapports de conformité, utilisation de schémas normalisés. --- ## Glossaire - **Coagulant** : produit chimique (sulfate d’aluminium, chlorure ferrique) qui neutralise les charges des particules en suspension pour former des flocs. - **Floculation** : étape douce d’agglomération des micro‑flocs en flocs plus volumineux pouvant sédimenter. - **Sédimentation** : séparation par gravité des flocs déposés au fond d’un bassin. - **Filtration** : passage de l’eau à travers un milieu poreux (sable, anthracite) pour retenir les particules restantes. - **Désinfection** : procédé visant à détruire ou inactiver les pathogènes (chlore, ozone, UV). - **Turbidité** : mesure de la clarté de l’eau, exprimée en NTU (unités de néphélométrie). - **Chlorine résiduelle** : quantité de chlore libre restant après la désinfection, garante d’une protection continue. - **DBO₅** : demande biochimique en oxygène sur 5 jours, indicateur de la matière organique biodégradable. - **Contre‑lavage** : opération de nettoyage du filtre par inversion du flux d’eau pour éliminer les dépôts accumulés. - **FDS** : Fiche de Données de Sécurité, document décrivant les risques et les précautions d’emploi d’un produit chimique. - **NTU** : Nephelometric Turbidity Unit, unité de mesure de la turbidité. - **Al₂(SO₄)₃·18H₂O** : sulfate d’aluminium dodecahydraté, coagulant couramment utilisé. - **NaOCl** : hypochlorite de sodium, forme liquide de chlore utilisée pour la désinfection. - **pH** : mesure de l’acidité ou de la basicité d’une solution (échelle 0‑14). - **ISO 1219** : norme internationale définissant les symboles utilisés dans les schémas de pneumatique et d’hydraulique, également appliquée aux schémas de traitement d’eau. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’une unité de traitement pour un chantier **Données** : - Effectif ouvriers : 150 personnes. - Consommation d’eau potable estimée : 25 L / personne / jour. - Eau brute : turbidité moyenne 22 NTU, pH 6,8, absence de coliformes détectée. - Disponible : sulfate d’aluminium (Al₂(SO₄)₃·18H₂O), chaux (Ca(OH)₂) pour correction du pH, hypochlorite de sodium (NaOCl 12 %). **Demande** : 1. Calculer le débit d’eau à traiter (m³/h). 2. Déterminer la dose de coagulant nécessaire (mg/L) avec \(k = 3\). 3. Prévoir le volume du bassin de sédimentation pour un temps de rétention de 3 h. 4. Dimensionner la colonne de filtration (sable 0,5 mm) sachant une vitesse de filtration de 10 m/h. 5. Calculer le débit d’hypochlorite de sodium à injecter pour obtenir 0,3 mg/L de chlorine libre. **Corrigé** : 1. **Débit d’eau** : Consommation journalière = 150 × 25 L = 3750 L = 3,75 m³/j. En supposant une distribution uniforme sur 24 h : \[ Q = \frac{3,75}{24} = 0,156 \text{ m³/h} \approx 0,16 \text{ m³/h} \] 2. **Dose de coagulant** : \[ D = k \times \sqrt{TU} = 3 \times \sqrt{22} = 3 \times 4,69 = 14,07 \text{ mg/L} \] On arrête à 14 mg/L. 3. **Volume du bassin de sédimentation** : Temps de rétention souhaité = 3 h. \[ V = Q \times t = 0,16 \text{ m³/h} \times 3 \text{ h} = 0,48 \text{ m³} \] On choisira un bassin de 0,5 m³ (ex. 1 m × 0,5 m × 1 m). 4. **Colonne de filtration** : Vitesse de filtration \(v_f = 10\) m/h. Surface nécessaire : \[ A = \frac{Q}{v_f} = \frac{0,16}{10} = 0,016 \text{ m²} = 160 \text{ cm²} \] Un colonne de diamètre 15 cm (surface ≈ 17,6 cm²) serait insuffisante ; on prend donc un diamètre de 20 cm (surface ≈ 31,4 cm²) et on adapte la hauteur du lit de sable à 0,6 m pour assurer une bonne rétention. 5. **Dosage d’hypochlorite de sodium** : Chlorine libre visée = 0,3 mg/L. L’hypochlorite de sodium à 12 % contient 120 g de Cl₂ actif par litre (puisque 1 % NaOCl ≈ 10 g Cl₂/L). Débit de solution nécessaire : \[ Q_{NaOCl} = \frac{C_{Cl_2} \times Q}{C_{stock}} = \frac{0,3 \text{ mg/L} \times 0,16 \text{ m³/h}}{120 \text{ g/L}} \] Convertir les unités : 0,3 mg/L = 0,0003 g/L. \[ Q_{NaOCl} = \frac{0,0003 \times 0,16}{120} = \frac{0,000048}{120} = 4,0 \times 10^{-7} \text{ L/h} = 0,4 \text{ mL/h} \] On utilisera une pompe péristaltique réglée à 0,4 mL/h (ou une doseuse gravitaire avec un réservoir gradué). **Vérification** : Après mélange, on mesure la chlorine résiduelle à la sortie du contacteur ; on ajuste le débit de NaOCl si nécessaire pour rester dans l’intervalle 0,2‑0,5 mg/L. --- ### Exercice 2 – Contrôle de la qualité de l’eau traitée **Données** : Après traitement, les mesures suivantes sont obtenues sur un échantillon de 1 L : - Turbidité = 4,2 NTU - pH = 7,4 - Chlorine résiduelle = 0,18 mg/L - Coliformes totaux = 0 UFC/100 mL - E. coli = 0 UFC/100 mL **Question** : L’eau est‑elle conforme aux normes NC 03‑001 ? Justifier chaque paramètre. **Corrigé** : | Paramètre | Valeur mesurée | Limite NC 03‑001 | Conformité | Commentaire | |-----------|----------------|------------------|------------|-------------| | Turbidité | 4,2 NTU | ≤ 5 NTU | ✅ | Dans la limite. | | pH | 7,4 | 6,5 – 8,5 | ✅ | Dans l’intervalle autorisé. | | Chlorine résiduelle | 0,18 mg/L | 0,2 – 0,5 mg/L | ❌ | Légèrement inférieure au minimum recommandé ; risque de perte de protection résiduelle dans le réseau. | | Coliformes totaux | 0 UFC/100 mL | 0 UFC/100 mL | ✅ | Conforme. | | E. coli | 0 UFC/100 mL | 0 UFC/100 mL | ✅ | Conforme. | **Conclusion** : L’eau est globalement conforme sauf pour la chlorine résiduelle qui est légèrement basse. Il convient d’augmenter légèrement le débit d’hypochlorite de sodium (ex. passer de 0,4 mL/h à 0,5 mL/h) et de revérifier après 30 min de contact. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Situation | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de sécurité / bonne pratique | |----|-----------|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | Préparation du coagulant | Pesée approximative à la balance de cuisine | Sous‑ ou sur‑dosage → flocs insuffisants ou excès d’aluminium (toxicité) | Utiliser une balance de précision (±0,01 g) et préparer une solution mère stockée dans un récipient étiqueté. | | 2 | Injection du coagulant | Oublier de régler la pompe doseuse selon le débit réel d’eau brute | Dose variable, mauvaise floculation | Vérifier le débit avec un débitmètre avant chaque mise en service et ajuster la pompe en conséquence. | | 3 | Contrôle du pH après coagulation | Mesurer le pH seulement après sédimentation | Le pH peut être hors optimum, réduisant l’efficacité de la coagulation | Mesurer le pH immédiatement après le bassin de mélange rapide et corriger si nécessaire (chaux ou acide dilué). | | 4 | Filtration | Laisser le filtre fonctionner au-delà de la perte de charge critique sans contre‑lavage | Colmatage, baisse du débit, risque de rupture du lit de sable | Installer un manomètre de perte de charge ; déclencher le contre‑lavage dès que la perte dépasse 0,5 bar. | | 5 | Désinfection au chlore | Ne pas respecter le temps de contact (ex. sortie directe du filtre vers le réseau) | Inactivation incomplète des virus et bactéries | Prévoir un bassin de contact d’au moins 30 min à la température ambiante ou utiliser un contacteur à agitation lente. | | 6 | Manipulation de l’hypochlorite de sodium | Verser le produit sans lunettes ni gants | Brûlures cutanées, irritation oculaire, inhalation de vapeurs chlorées | Porter systématiquement lunettes de protection, gants nitrile et masque à cartouche pour vapeurs chlorées ; travailler sous hotte ou en extérieur avec ventilation. | --- *Fin du cours.*