Présenté et soutenu publiquement le 14 Août 2013 Par : RAMISASOA Tatamo Mihaja Membres du jury : Président : Monsieur RANAIVOSON Léon Félix Rapporteurs : Madame RAMBOLAMANANA Voahangy Monsieur FABIEN Rémi Roger Examinateurs : Monsieur ANDRIATSITOMANARIVOMANJAKA R. Naina Monsieur RAKOTONANDRAINA Solofo UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE DEPARTEMENT MINES MEMOIRE DE FIN D’ETUDES En vue de l’obtention du DIPLOME D’INGENIEUR DES MINES
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Présenté et soutenu publiquement le 14 Août 2013
Par : RAMISASOA Tatamo Mihaja
Membres du jury :
Président : Monsieur RANAIVOSON Léon Félix
Rapporteurs : Madame RAMBOLAMANANA Voahangy
Monsieur FABIEN Rémi Roger
Examinateurs : Monsieur ANDRIATSITOMANARIVOMANJAKA R. Naina
Monsieur RAKOTONANDRAINA Solofo
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
DEPARTEMENT MINES
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES
En vue de l’obtention du
DIPLOME D’INGENIEUR DES MINES
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Remerciements
Je rends grâce au Père Céleste de m’avoir donné la force, le courage et surtout la santé durant
mes années d’études et l’accomplissement de ce présent mémoire.
Je ne saurai aussi oublier de témoigner ma profonde gratitude et mes sincères reconnaissances
envers toutes les personnes suivantes :
- Monsieur ANDRIANARY Philippe, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique
d’Antananarivo
- Monsieur RANAIVOSON Léon Félix, Chef du Département Mines, il nous a fait
l’honneur de présider ce mémoire.
- Madame RAMBOLAMANANA Voahangy, Maître de conférences, Chef de Département
des Sciences de la Terre à l’Université d’Antananarivo, qui m’a dirigé tout au long de la
réalisation de ce mémoire.
- Monsieur FABIEN Rémi Roger, Enseignant chercheur à l’ESPA, qui m’a accordé son
temps précieux en supervisant l’évolution de ce travail.
- Monsieur ANDRIATSITOMANARIVOMANJAKA R. Naina, Enseignant chercheur à
l’ESPA, qui a accepté d’être parmi les membres du jury.
- Monsieur RAKOTONANDRAINA Solofo, Chef de département DPO de la société
Jirama Mandroseza, de m’avoir reçu au sein de son département en tant que stagiaire et
d’avoir accepté d’être parmi les membres du jury.
Je remercie tous les enseignants de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo.
J’adresse également mes vifs remerciements à la Société Jirama et particulièrement à :
- Monsieur RAMANANTSOA Alphonse, Chef de conduite Mandroseza I, qui m’a encadré
durant mon stage au sein de l’usine.
- Monsieur RAKOTOMANANTSOA Rija et RAMAMONJISOA Tahina, Techniciens au
laboratoire contrôle DPOA.
- Monsieur RAKOTOARIVELONANAHARY Bruno, Chef de service Analyse Physico-
chimique DQO, qui m’a encadré durant mon séjour au Laboratoire du Département DQO.
- Tout le personnel du DPOA et DQO qui m’ont aidé durant mon stage.
Et je ne peux oublier d’adresser ma plus profonde reconnaissance envers mes parents, mes
sœurs, mes amis et toute la famille qui m’ont apporté leur soutien moral, spirituel et financier.
ii
SOMMAIRE
Remerciements
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des annexes
Liste des abréviations
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : APERCU GENERAL SUR LA SOCIETE JIRAMA ET LE
TRAITEMENT DE L’EAU
Chapitre I : Présentation de la société JIRAMA
Chapitre II : Généralités sur le traitement des eaux
Chapitre III : Description détaillée du processus de coagulation-floculation
DEUXIEME PARTIE : ETUDES EXPERIMENTALES
Chapitre IV : Réactifs et matériels utilisés
Chapitre V : Essais et résultats obtenus
Chapitre VI : Interprétation des résultats
Chapitre VII : Estimation des coûts
TROISIEME PARTIE : ETAT DE LIEU
Chapitre VIII : Généralités sur la pollution des eaux de surface
Chapitre IX : Environnement du lac Mandroseza
Chapitre X : Impacts de la pollution des eaux de surface
CONCLUSION
Annexes
Bibliographie
Webographie
Table des matières
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Liste des figures
Figure 1: Organigramme de la JIRAMA ....................................................................................................... 5
Figure 2: Organigramme du Département Eau ............................................................................................. 5
Tableau 6: Les étapes de l’agrégation ........................................................................................................ 20
Tableau 7: Coagulants organiques et minéreaux ........................................................................................ 23
Tableau 8: Floculants organiques et minéraux ........................................................................................... 24
Tableau 9: Paramètres et réactifs correspondants ...................................................................................... 29
Tableau 10: Définition des paramètres selon le lieu d’utilisation ............................................................. 35
Tableau 11: Essai sur l’utilisation de SA, SA+CH et FeCl3 ..................................................................... 37
Tableau 12: Essai sur l’utilisation de FeCl3 et FeCl3 + CH ..................................................................... 38
Tableau 13: Essai sur l’utilisation de SA + FeCl3 .................................................................................... 39
Tableau 14: Essai sur l’utilisation de SA+ FeCl3 avec nouvelle proportion............................................. 40
Tableau 15 : Essai sur l’utilisation de SA+ FeCl3 avec autre proportion .................................................. 40
Tableau 16: Essai sur l’utilisation de FeCl3 et FeCl3 + CH ...................................................................... 43
Tableau 17 : Essai sur l’utilisation de SA + FeCl3 avec proportion différente .......................................... 44
Tableau 18: Essai effectué pour la demande en chlore .............................................................................. 45
Tableau 19: Résultat des analyses physico-chimiques ............................................................................... 46
Tableau 20: Tableau comparatif entre les coagulants soulevant leurs avantages et inconvénients ............ 56
Tableau 21: Prix des divers produits avec leurs fournisseurs respectifs .................................................... 57
Tableau 22: Coût de la quantité de sulfate d’aluminium nécessaire ......................................................... 58
Tableau 23 : Evaluation de la quantité annuelle du sulfate d’aluminium................................................... 58
Tableau 24: Coût de la quantité de chaux nécessaire .............................................................................. 58
Tableau 25 : Evaluation de la quantité annuelle de la chaux ...................................................................... 59
Tableau 26 : Coût de la quantité d’hypochlorite de calcium nécessaire .................................................... 59
Tableau 27: Evaluation de la quantité annuelle de l’hypochlorite de calcium ........................................... 59
Tableau 28 : Coût total des produits utilisés pour traiter l’eau ................................................................... 59
Tableau 29: Prix des nouveaux produits utilisés avec leurs fournisseurs respectifs .................................. 60
Tableau 30 : Coût de la nouvelle quantité de sulfate d’aluminium nécessaire .......................................... 61
Tableau 31: Evaluation de la nouvelle quantité annuelle de sulfate d’aluminium ..................................... 61
Tableau 32 : Quantité de chlorure ferrique 40% nécessaire selon le volume d’eau à traiter ...................... 62
Tableau 33: Coût de la nouvelle quantité de chlorure ferrique nécessaire ................................................. 62
Tableau 34 : Evaluation de la nouvelle quantité annuelle de chlorure ferrique ........................................ 62
Tableau 35: Coût de la nouvelle quantité d’hypochlorite de calcium ........................................................ 63
Tableau 36 : Evaluation de la nouvelle quantité annuelle d’hypochlorite de calcium ............................... 63
Tableau 37: Coût total des nouveaux produits utilisés pour traiter l’eau ................................................... 63
Tableau 38: Dépense annuelle de la JIRAMA pour chaque groupe de produit utilisé ............................... 64
Tableau 39 : Impacts négatifs des polluants de l’eau sur la santé .............................................................. 84
v
Liste des annexes
Annexe I : Essais de floculation chimique de la JIRAMA …………………………………I
Annexe II : Norme de potabilité Malagasy…………………………………………………IV
Annexe III : Mode opératoire pour le dosage de chaque paramètre ……………………….VI
Annexe IV : Photographies de quelques appareils utilisés en laboratoire ...................…....XII
vi
Liste des abréviations
CA
DG
DGAA
DRH
DAF
Dappro
Dcom
DGAO
DEXO
DeqO
DGAE
DPTE
DDE
DEEL
SG
DACI
DCG
DIR
DERI
DCE
DCO
DT
DTA
Dplan
Dorga
DSI
CMS
CH
JIRAMA
SA
°f
EB
MES
MO
MI
MII
NET
NTU
pH
SEPCM
SPCI
TA
TAC
TH
TH Ca
TH Mg
Conseil d’Administration
Direction Générale
Direction Générale Adjoint Administratif Direction Ressources Humaines Direction Administrative et Financière Direction Approvisionnement Direction Commerciale
Direction Générale Adjoint Eau
Direction Exploitation Eau
Direction Equipement Eau
Direction Générale Adjoint Electricité
Direction Production Transport Electricité
Direction Distribution Electricité
Direction Equipement Electricité
Secrétariat Général
Direction Audit Contrôle Interne
Direction Contrôle Gestion
Direction Interrégionale
Direction Interrégionale d’Exploitation du Réseau Interconnecté
Direction Clientèle Electricité
Direction Clientèle Eau
Direction Travaux
Direction Technique d’Antananarivo
Direction planification
Direction Organisation
Direction Système Informatique
Centre Médico-Social
Chaux
Jiro sy Rano Malagasy
Sulfate d’aluminium
Degré français
Eau brute
Matières en suspension
Matières organiques
Mandroseza I
Mandroseza II
Noir Eriochrome T
Nephelometric Turbidity Unit
Potentiel d'hydrogène
Société d’Engrais et de Produits Chimiques de Madagascar
Société de Produits Chimiques Industriels
Titre Alcalimétrique
Titre Alcalimétrique Complet
Titre Hydrotimétrique ou dureté totale de l'eau
Titre Hydrotimétrique Calcique ou dureté calcique de l'eau
Titre Hydrotimétrique magnésien ou dureté magnésien de l'eau
Mémoire de fin d’études
RAMISASOA Tatamo Mihaja
1
INTRODUCTION
Depuis plusieurs siècles, l’eau a toujours été considérée comme l’un des éléments essentiels à
la vie sur terre. Elle est utilisée dans divers domaines pour différentes finalités bien distinctes.
Le traitement de minerai utilise beaucoup d’eau et affecte directement les cours d’eau et les
nappes. Chaque industrie consommatrice de l’eau doit avoir un programme de protection et de
préservation de ces ressources en eau.
De ce fait, pour que l’eau à traiter soit plus ou moins de bonne qualité, la protection des eaux
souterraines et de surface s’imposent.
L’importance des méthodes de traitement de l’eau destinée à la consommation humaine
s’avère toujours une des préoccupations des dirigeants d’un pays pour préserver la santé de sa
population.
Actuellement, la JIRAMA utilise du sulfate d’aluminium et de la chaux pour l’étape de
clarification de l’eau. Ces produits donnent un bon rendement de potabilisation de l’eau mais
ce résultat n’est pas un frein à de nouvelles recherches mettant à l’épreuve l’utilisation
d’autres produits pour des résultats intéressants.
C’est pourquoi nous avons pensé opportun le choix du thème : « Sulfate d’aluminium et
chlorure ferrique, coagulants dans le traitement des eaux ». Ce choix a été fixé dans les
intérêts suivants : préservation d’une meilleure qualité de l’eau traitée, optimisation des
procédés physico-chimiques, et mise en exécution de travaux de laboratoire pour tester
l’efficacité des deux sels métalliques trivalents mélangés pour l’étape de coagulation-
floculation.
Les analyses ont été faites au sein du laboratoire central de la JIRAMA Mandroseza.
La présente étude se divise en trois parties distinctes dont la première partie porte sur la
présentation de la société et l’aperçu général sur le traitement des eaux existant, la deuxième
partie qui est la base de notre recherche concerne les études expérimentales effectuées en
laboratoire et enfin la dernière partie se consacre sur l’état de lieu.
Mémoire de fin d’études
RAMISASOA Tatamo Mihaja
2
PREMIERE PARTIE :
Aperçu général sur la société
JIRAMA et le traitement de l’eau
Mémoire de fin d’études
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Chapitre 1 : Présentation générale de la société JIRAMA
[13] [11] [10] [14]
I.1. Historique
La JIRAMA était, au début, une entreprise de production, de transport et de
distribution de l’énergie électrique pour ensuite entreprendre l’élévation, le stockage et la
distribution d’eau potable. Elle résulte de la fusion de la Société Malgache de l’Eau et de
l’Electricité (SMEE) et la Société d’Energie de Madagascar (SEM).
La production et la distribution d’eau et d’énergie a connu deux périodes bien distinctes : celle
d’avant et celle d’après la nationalisation de la société en 1975.
I.1.1. Période avant 1975
En 1905, une convention a été signée par le Général Gallieni attribuant à la Société
Civile d’Etat (SCE) le privilège d’adduction de l’eau et de l’éclairage public à Antananarivo.
Cette société deviendra plus tard la Société d’Eau et d’Electricité de Madagascar (SEEM) qui
en plus d’Antananarivo, ravitaille aussi les régions de Toamasina, Antsirabe, Fianarantsoa et
Diégo en électricité.
Le 29 Septembre 1952, à côté de la SEEM, la Société d’Energie de Madagascar (SEM) a été
créée suite à un accord entre l’Etat et la SEM sur la distribution d’eau potable. De ce fait, ces
deux sociétés s’entraidaient mutuellement de sorte qu’à l’intérieur d’une ville, l’une
fournissait l’eau et l’autre l’électricité.
Le 04 Février 1974, l’Etat a confirmé son monopole en créant la Société Malgache de l’Eau et
de l’Electricité (SMEE) par adjonction de l’actif et du passif du bilan de la SEEM.
Plus tard, il a fusionné dans une nouvelle Société d’Intérêt Nationale de l’Eau et d’Electricité
(SINEE) la prise en charge de la totalité des emplois de la SMEE et de la SEEM.
I.1.2. Période après 1975
Le 29 Juin 1977, l’Etat a fusionné la SMEE et la SEM, et la Gérance Nationale de
l’Eau (GNE) au sein de la JIRAMA.
En 1983, le Ministère de l’Energie et des Mines signe un accord avec les bailleurs de fonds au
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titre du projet ENERGIE I pour les grandes réalisations telle que : Andekaleka, Namorona et
les travaux d’équipements comme le bouclage Tana-Sud, le contrôle électrique de Volobe, le
renforcement en eau potable à Mandroseza.
En 1996, le Ministère de l’Energie et des Mines a signé un nouvel accord de fin de lancement
avec la Banque Mondiale pour assurer les projets d’investissements électriques pour les cinq
années à venir. Le projet ENERGIE II visera à l’amélioration des perspectives de croissance
durable de Madagascar en assurant un approvisionnement en électricité adéquat à long terme,
ainsi qu’à un meilleur service à la population urbaine et rurale.
En 2006, afin de procéder au financement du Projet de Redressement et de Restructuration du
secteur de l'Eau et de l'Electricité, la République de Madagascar a conclu un accord de prêt
avec l'Association Internationale de Développement.
I.2. Structure organisationnelle de la société
I.2.1. Organisation
La JIRAMA est une société anonyme de droit commun détenu entièrement par l’Etat
Malagasy. Elle est dirigée par un conseil d’administration auquel répond le Directeur Général.
Il est nommé par le Ministère chargé de l’Energie.
Le conseil d’Administration est composé des représentants de l’Etat, notamment des
Ministères tutelles et des représentants des employés. L’organisation de la JIRAMA reflète
ses deux grandes activités que sont l’approvisionnement en eau et en électricité.
I.2.2. Organigramme
Une organisation instaurée par la JIRAMA est représentée par l’organigramme ci-
dessous.
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Figure n°1: Organigramme de la JIRAMA
La société JIRAMA a son organigramme, mais le Département Eau qui y est incorporé a
aussi son propre organigramme.
Figure n°2: Organigramme du Département Eau
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I.3. Activités
L’activité principale de la JIRAMA consiste à effectuer sur toute l’étendue du
territoire Malgache, toutes les opérations relatives à la production, au transport, à la
distribution d’énergie électrique et à l’alimentation en eau potable.
I.3.1. Activité sur l’électricité
La production de l’électricité se présente sous deux formes :
Production hydraulique : installation d’un barrage sur les chutes d’eau qui permet de faire
tourner les alternateurs. Ces derniers transforment la puissance des chutes d’eau en
énergie électrique.
Production thermique : distribution d’électricité à l’aide d’un groupe électrogène dans les
régions qui n’ont pas de grandes chutes d’eau. Comme le cas d’Antsiranana, Mahajanga,
et Toliary.
I.3.2. Activité sur l’eau
Les eaux des chutes, les lacs ou les nappes souterraines sont stockées dans un bassin
avant de passer dans un centre de test. Ces eaux sont ensuite traitées avec des produits
chimiques tels que le sulfate d’aluminium, la chaux et l’hypochlorite de calcium pour les
rendre pure et potable.
Une fois cette phase terminée, l’eau sera distribuée aux consommateurs.
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement des eaux
[6] [12] [18] [4] [10] [14] [9]
II.1. Généralités sur l’eau
II.1.1. Ressources naturelles
Les réserves disponibles d’eaux naturelles sont constituées des eaux souterraines
(infiltration, nappe), des eaux de surface retenues ou en écoulement (barrages, lacs, rivières)
et des eaux de mer.
II.1.1.1. Eau de surface
L’eau de surface englobe toutes les eaux circulantes ou stockées à la surface des
continents (rivières, lacs, étangs, barrages,…). La composition chimique des eaux de surface
dépend de la nature des terrains traversés par ces eaux durant leurs parcours dans l’ensemble
des bassins versants.
II.1.1.2. Eau souterraine
L’eau souterraine est l’origine de l’eau de surface, mais celle–ci est généralement
filtrée par l’action du sol et est donc souvent de bonne qualité microbiologique.
Du point de vue hydrogéologique les couches aquifères se divisent en :
nappes phréatiques ou alluviales : peu profondes et sont alimentées directement par
les précipitations pluvieuses ou les écoulements d’eau.
nappes captives : plus profondes que le premier et sont séparées de la surface par une
couche imperméable. L’alimentation de ces nappes est assurée par l’infiltration sur
leurs bordures.
II.1.1.3. Eaux de mers et océans
Les mers et les océans sont d’énormes réservoirs d’eau, elles représentent près de
97.4% du volume d’eau existant actuellement sur notre planète. Les eaux de mers sont
caractérisées par une grande salinité, ce qui rend leur utilisation difficile et le coût estimé pour
leur traitement très élevé.
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II.1.2. Eau brute et eau potable
II.1.2.1.Eau bute
C’est l’eau à l’état naturel qui est constituée par diverses composantes telles que des
particules terreuses, des débris de végétaux et parfois aussi des animalcules s’y trouvent en
suspension.
Tableau 1 : Principales impuretés de l’eau
II.1.2.2. Eau potable
Une eau potable est une eau destinée à la consommation humaine ; on peut la boire
sans risque pour la santé. Résultant d’un traitement, elle répond à des normes
organoleptiques, physico-chimiques et bactériologiques fixées par un décret.
II.1.3. Paramètres de qualité des eaux
Au cours de ce paragraphe, nous allons décrire successivement les principales
caractéristiques organoleptiques et physico- chimiques des eaux naturelles.
II.1.3.1. Paramètres organoleptiques
Il s’agit de la saveur, de la couleur, de l’odeur et de la transparence de l’eau. Ils n’ont
pas de signification sanitaire mais leurs dégradations, peuvent indiquer une pollution ou un
dysfonctionnement des installations de traitement ou de distribution.
Types Natures et origines
Solide en suspension Des particules terreuses, des débris végétaux et animaux
Matières en émulsion Hydrocarbures, corps gras
Matières colloïdales Argiles, silices, composés organiques plus ou moins dégradés
Gaz dissout Gaz carbonique de décomposition des végétaux
Matières minérales
dissoutes
Roches solubilisées, rejets industriels et agricoles, gaz de l’air
Matières organiques
dissoutes
Animaux et végétaux en décomposition, pesticide
Organismes vivants
d’origines végétaux et
animaux
Animalcules, vers, insectes, algues
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II.1.3.1.1. Turbidité
La turbidité est la mesure de l’aspect trouble de l’eau. C’est la réduction de la
transparence d’un liquide due à la présence de matières non dissoutes.
NTU< 5 Eau claire
10 < NTU < 20 Eau légèrement trouble
NTU> 20 Eau trouble
Tableau 2: Classes de turbidité usuelles
II.1.3.1.2. Couleur
Les eaux naturelles sont toujours plus ou moins colorées. Leur couleur varie du jaune
paille à peine perceptible au brun rougeâtre selon la nature et la concentration des matières
colorantes. Ces matières proviennent souvent de la dégradation de matières végétales.
II.1.3.1.3. Goût et odeur
La saveur et l’odeur anormales sont causées par la présence de matières organiques
dissoutes provenant de la décomposition des matières organiques végétales, de résidus
agricoles et de rejets urbains ou industriels.
II.1.3.2. Paramètres physico-chimiques
Ces paramètres font l'identité de base de l'eau. Ils sont essentiellement représentés par
les sels minéraux (calcium, sodium, potassium, magnésium, sulfate...) ou par des indicateurs
plus globaux comme la conductivité électrique qui permet d'avoir une idée de la salinité de
l'eau, et le titre alcalimétrique qui permet d'apprécier la concentration des carbonates et
bicarbonates dans l'eau.
II.1.3.2.1. Température
La température joue un rôle sur la solubilité des sels, dans la dissociation des sels
dissous donc sur la conductivité électrique et dans la détermination du pH pour la
connaissance de l’origine de l’eau.
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II.1.3.2.2. Dureté
La dureté ou titre hydrotimétrique permet de mesurer la présence de sels de calcium et
de magnésium.
Dans une eau naturelle, on peut distinguer différents types de dureté:
dureté totale : somme des concentrations en calcium et magnésium
dureté calcique: concentration globale en calcium
dureté magnésienne : concentration globale en magnésium
II.1.3.2.3. pH
Le pH correspond à la concentration en ions d’hydrogène. Il mesure l’acidité ou la
basicité d’une eau.
Dans la détermination qualitative de l’eau, le pH joue un rôle primordial à la fois dans :
les propriétés physico-chimiques (acidité, agressivité)
l’efficacité de certains traitements (coagulation, chloration) ;
les processus biologiques dont certains exigent des limites très étroites des pH.
II.1.3.2.4. Alcalinité
L’alcalinité d’une eau correspond à sa capacité à réagir avec les ions hydrogène (H)
qui est due à la présence des ions hydrogénocarbonate (HCO3-), carbonate (CO3
-2) et
hydroxyde (OH -). Autrement dit, on est amené à considérer deux types d’alcalinité qui
correspondent à deux bornes de pH :
alcalinité au virage du rouge de méthyle : elle correspond à l’alcalinité totale au
pH de 4.5, ce qui revient à déterminer les ions HCO3-, CO3
-2 et OH
- .Cette alcalinité se
nomme également titre alcalimétrique complet TAC.
alcalinité au point de virage de la phénophtaléine (alcalinité composite) : elle
correspond à l’alcalinité entraînée par les ions OH- et à la moitié des ions CO3
-2. Cette
alcalinité composite est nulle pour une eau dont le pH est inférieur ou égal à 8.3. L’alcalinité
composite se nomme également titre alcalimétrique (TA).
Mémoire de fin d’études
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II.1.3.2.5. Conductivité
La conductivité est liée à la concentration des substances dissoutes. Elle varie avec la
température. Une conductivité élevée traduit soit des pH anormaux, soit le plus souvent une
salinité élevée.
II.1.3.2.6. Sodium et potassium
Le sodium et le potassium les 6e et 7
e éléments les plus abondants à l’état naturel sont
en proportions très variables. Le potassium, beaucoup moins abondant que le sodium, et
rarement présent dans l’eau à des teneurs supérieurs à 20 mg/ l.
II.1.3.2.7. Chlorures
L’eau contient presque toujours des chlorures, mais en proportion très variable. Ainsi,
les eaux provenant des régions granitiques sont pauvres en chlorures, alors que les eaux des
régions sédimentaires en contiennent davantage.
II.1.3.2.8. Sulfates
Les eaux naturelles contiennent pratiquement des sulfates, en proportion très variable.
Leur présence résulte de la solubilité des sulfates de calcium des roches gypseuses et de
l’oxydation des sulfures répandus dans les roches (les pyrites par exemple).
II.1.3.3. Paramètres indésirables
Sont dites indésirables certaines substances qui peuvent créer soit un désagrément
pour le consommateur: goût et odeur (matières organiques, fer...), couleur (fer, manganèse...),
soit à caractère nocif (nitrates, fluor…).
II.1.3.3.1. Matières organiques
L’oxydabilité au permanganate de potassium (KMnO4) : Cette mesure renseigne sur la
concentration en matières organiques présentes dans une eau peu chargée .On utilise un
oxydant appelé permanganate de potassium (KMnO4).
Carbone organique totale (COT) : Le COT est défini comme la concentration en mg
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de carbone/l d’échantillon, c’est une méthode directe pour mesurer la teneur en matières
organiques d’une eau.
La demande chimique en oxygène (DCO) : C’est une mesure de toutes les matières
organiques (ou presque) contenues dans les eaux naturelles ou usées, qu’elles soient
biodégradables ou non biodégradables.
La demande biochimique en oxygène (DBO5) :L’oxydation des composés organiques
biodégradables par les microorganismes entraîne une consommation d’oxygène ; le milieu
exerce donc une certaine demande biochimique d’oxygène. La mesure de cette DBO permet
d’évaluer le contenu d’une eau en matières organiques biodégradables et donc, dans une
certaine mesure, sa qualité ou son degré de pollution.
II.1.3.3.2. Azote
L’élément azote existe principalement sous forme ionique, à savoir NH4+, NO2
- et
NO3-. La pollution en ions NH4
+ existe principalement pour les eaux de surface.
II.1.3.4. Paramètres toxiques
Une pollution industrielle du captage ou une dégradation des réseaux de distribution
peut entraîner la présence d'éléments toxiques dans l'eau, dangereux pour la santé en cas de
consommation régulière. Les matières toxiques sont constituées de micropolluants minéraux
(métaux lourds : chrome, cadmium, nickel...) ainsi que de substances telles que les cyanures.
II.1.3.5. Paramètres bactériologiques
L’eau potable ne doit contenir aucun microorganisme pathogène et être exempte de toute
bactérie indiquant une pollution.
II.2. Traitement des eaux de Mandroseza
Avec les diverses pollutions et impuretés qui composent l’eau brute, celle-ci doit subir
des traitements avant la consommation.
Mémoire de fin d’études
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II.2.1. Description de la station de Mandroseza
L’eau utilisée par la station de traitement de Mandroseza provient de la rivière d’Ikopa
et est captée par pompage vers le lac Mandroseza. Elle y est stockée. Ce lac s’étend sur une
superficie de 47ha avec une profondeur moyenne de 3m.
La station de traitement Mandroseza se divise en deux : la station Mandroseza I en activité
depuis 60ans et la station Mandroseza II créée en 1993 pour renforcer la première station.
II.2.1.1. Mandroseza I
La station de pompage est composée de neuf pompes. L’eau captée est tout de suite
refoulée vers les divers décanteurs : Accelator, Pulsator et Prat-daniel.
II.2.1.1.1.Décanteur Accelator
C’est un décanteur de forme circulaire. L’injection des produits se fait directement
dans le déversoir contenant l’eau brute. Le fond est mélangé par une turbine actionnée par un
groupe d’entrainement ou variateur de vitesse entrainé par un moteur électrique. Il a un débit
d’eau brute Q=1100m3/h.
Figure n°3 : Décanteur Accelator
II.2.1.1.2. Décanteurs Pulsator I et II :
Les décanteurs Pulsator I et II ont une forme rectangulaire et ont les débits respectifs
suivants Q1=1300 m3/h et Q2=1600m
3/h. Ces décanteurs ont chacun six bassins de décantation
et six bassins de filtration. Le Pulsator est un décanteur à lit de boue propulsé maintenu en
suspension par les pulsations créées par la cloche. L’eau à traiter traverse le lit de boue formé.
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Figure n°4 : Décanteur Pulsator
II.2.1.1.3. Décanteur Prat-daniel
Le décanteur Prat-daniel est un décanteur vertical cylindrique à fond conique et à flux
vertical. Après addition de sulfate d’aluminium, l’eau brute dépourvue de matières organiques
remonte vers la surface, tandis que ces dernières devenues denses se déposent petit à petit vers
le fond. Ce décanteur a un débit Q= 800m3/h.
Figure n°5 : Décanteur Prat-daniel
Matériels Opération Réactifs Eau obtenue
Pulsator et
Accelator
Coagulation-
Floculation et
Décantation
Al2(SO4)3 10 à 12 g/m3
Ca(OH)2 2 g/m3
Eau décantée
Filtre à sable Filtration Eau filtrée
Citernes (1500m3) Désinfection et
neutralisation
Ca(ClO)2 2 g/m3
Ca(OH)2 2 g/m3
Eau potable
Tableau 3 : Récapitulation du processus de traitement de M I
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II.2.1.2. Mandroseza II
C’est une nouvelle station créée pour renforcer la station Mandroseza I. Le captage se
fait au milieu du lac par une conduite de diamètre d=1500mm. Une station de pompage
composée de quatre pompes assure un débit d’eau brute Q=3000m3/h.
Matériels Opération Réactifs Eau obtenue
Filtre bicouche Coagulation-
Floculation et
Filtration
Al2(SO4)3 6 à 7 g/m3
Ca(OH)2 2 g/m3
Eau filtrée
Citernes (2250 m3) Désinfection et
neutralisation
Ca(ClO)2 2 g/m3
Ca(OH)2 2 g/m3
Eau potable
Tableau 4: Récapitulation du processus de traitement de M II
II.2.2. Processus de traitement
Le traitement de l’eau comporte généralement les étapes suivantes : le prétraitement et le
traitement proprement dit.
Figure n°6 : Organigramme des diverses étapes
Eau brute (lac)
Captage, dégrillage, tamisage
Coagulation-floculation
Décantation
Filtration
Neutralisation
Stérilisation
Eau potable
PRETRAITEMENT
TRAITEMENT Ca(OH)2
Ca(ClO)2
Al2 (SO4)3 +Ca (OH) 2
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II.2.2.1. Prétraitement
II.2.2.1.1. Captage
Après avoir capté l’eau provenant d’une rivière, pour un stockage en sécurité, celle-ci
arrive dans le lac. Ce lieu de stockage rend possible une décantation naturelle. Dans le lac, on
effectue un captage d’eau de surface.
II.2.2.1.2. Dégrillage
Le dégrillage permet de protéger les ouvrages avals de l'arrivée de gros objets
susceptibles de boucher les différentes unités de traitement. Ceci permet également de
séparer et d'évacuer facilement les matières volumineuses charriées par l'eau brute, qui
pourraient nuire à l'efficacité des traitements suivants, ou en compliquer l'exécution.
.II.2.2.1.3. Pré-chloration
La pré-chloration en tête de l’installation permet la stérilisation des décanteurs, filtres,
conduites, ainsi elle améliore le goût et élimine la mauvaise odeur. Il s’agit d’un prétraitement
par l’hypochlorite de calcium effectué une fois par semaine.
II.2.2.2. Traitement
Il comporte trois grandes phases : la clarification, la neutralisation et la stérilisation.
II.2.2.2.1.Clarification
La clarification permet l’élimination des matières en suspension d’origine animale ou
végétale par le phénomène de décantation et de filtration.
Décantation :
C’est un processus qui consiste à permettre aux impuretés contenues dans l’eau en occurrence
les matières boueuses de se détacher de l’eau. Ceci dépend de la dimension et de la densité
des particules. Pour faciliter la décantation, des produits sont utilisés pour permettre la
séparation de l’eau et des colloïdes, rassemblés par les moyens artificiels : la coagulation et la
floculation.
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o La coagulation : c’est un traitement chimique pour déstabiliser les colloïdes par
addition de réactifs chimiques en vue d’un mécanisme d’agrégation ou d’adsorption
déchargeant les colloïdes généralement électronégatifs et donnant naissance à un
précipité.
o La floculation : c’est l’ensemble des phénomènes physico-chimiques menant à
l'agrégation des particules déstabilisées pour former des flocons ou « flocs ».
Filtration :
Après la décantation, l’eau passe à travers les masses filtrantes qui sont des anthracites et/ou
du sable fin pour être séparée des flocs non décantables : c’est l’opération de filtration.
On distingue deux types de filtres :
Filtre monocouche : il ne contient qu’une seule masse filtrante qui est le sable. La
granulométrie du sable est entre 0.8mm et 1.5mm .Ce type de filtre est utilisé pour les
stations Pulsator et Accelator.
50cm
1m
20cm
Figure n°7: Schéma simplifié d’un bassin de filtration
Filtre bicouche : celui-ci a 2 couches de masses filtrantes dont 40% d’anthracite et
60% de sable. La granulométrie du sable est entre 1.5mm et 2mm. Il est utilisé par la
station Prat-daniel et Mandroseza II.
II.2.2.2.2. Neutralisation
Après analyse, l’eau filtrée est toujours acide, c’est-à dire à caractères agressifs qui
entraînent la corrosivité des matériaux ferreux (conduites par exemple). Signalons que ce
caractère est nuisible à la santé. C’est pourquoi on a toujours besoin d’une correction de pH
Eau décantée
Sable fin (0.8 à 1.5 mm)
Semelle sable (2mm à 3mm)
Dalle perforée
Eau filtrée
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avant la distribution. Le pH doit avoisiner le pH neutre. A pH très élevé, il y aura formation
des tartres qui peuvent boucher les tuyauteries.
Le produit utilisé est l’eau de chaux saturée, obtenue à partir de la dilution de chaux qu’on
laisse se décanter pour avoir une eau de chaux limpide.
II.2.2.2.3. Stérilisation
Après filtration et neutralisation, on obtient une eau limpide et claire mais elle n’est
pas encore potable parce qu’elle contient encore des germes pathogènes. Il faut donc la
stériliser. Il s’agit ici d’une stérilisation en aval par l’hypochlorite de calcium (Ca (ClO) 2).
Ce n’est seulement qu’après toutes ces phases que l’eau peut être qualifiée de potable. Elle est
alors prête à être stockée dans les citernes puis refouler vers les stations de pompage, qui vont
à leur tour la répartir dans chaque secteur de la ville.
Tableau 5: Réactifs utilisés
Nom Rôle Utilisation
Sulfate d’aluminium
Al2(SO4)3
Coagulant Coagulation
Chaux
Ca(OH)2
Adjuvant de floculation
Déferrisant
Neutralisant
Correcteur
Floculation
Neutralisation
Déferrisation
Neutralisation
Correction
Hypochlorite de
Calcium
Ca(ClO)2
Oxydant puissant Oxydation
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Chapitre 3 : Description détaillée du processus de coagulation-
floculation
[6] [3] [16] [21] [22] [23]
III.1. Coagulation-floculation
En tant que processus unitaire du traitement des eaux, la coagulation résulte de l’addition
de réactifs chimiques dans des dispersions aqueuses, afin d’assembler en agrégats plus gros,
les fines particules. Ces nouveaux agrégats peuvent être éliminés, après floculation, par des
procédés tels que la décantation ou la filtration. La floculation est considérée, ici, comme
processus distinct qui a lieu en fin de coagulation. Elle consiste à favoriser la croissance de
flocs macroscopiques, avec ou sans utilisation d’additifs tels que les adjuvants de floculation.
La coagulation-floculation est un traitement de clarification très efficace dont l’objectif
premier est l’élimination de la portion non-décantable des matières en suspension.
III.1.1. Définition
Le mot coagulation vient du latin coagulare qui signifie « agglomérer ». La couleur et
la turbidité d’une eau de surface sont dues à la présence de particules de très faible diamètre :
les colloïdes. La coagulation et la floculation sont les processus qui permettent leur
élimination.
La coagulation consiste à les déstabiliser. Il s’agit de neutraliser leurs charges électrostatiques
de répulsion pour permettre leur rencontre par addition d’un réactif chimique, le coagulant.
La floculation est l’agglomération de ces particules déchargées en micro- floc, puis en flocons
volumineux et décantables. Cette floculation peut être améliorée par l’ajout d’un autre réactif:
le floculant ou adjuvant de floculation.
Deux phénomènes de transport régissent la floculation:
La floculation péricinétique liée à la diffusion brownienne (agitation thermique)
La floculation orthocinétique est liée à l’énergie dissipée. L’efficacité de cette
floculation permet d’obtenir le floc volumineux séparable qui est donnée dans la pratique par
le gradient de vitesse G correspondant au régime turbulent.
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Stade Phénomène Terminologie
Ajout du coagulant Réaction avec l’eau : ionisation, hydrolyse,
polymérisation
Hydrolyse
Déstabilisation Compression de la double couche électrique
Adsorption spécifique d’ions du coagulant
à la surface de la particule
Inclusion du colloïde dans un précipité
d’hydroxyde
Liaison inter- particulaire par des espèces
polymériques du coagulant
Coagulation
Transport de la
particule (contact
entre les particules)
Mouvement brownien
Energie dissipée (gradient de
vitesse)
Floculation péricinétique
Floculation orthocinétique
Tableau 6: Les étapes de l’agrégation
III.1.2. Solutions colloïdales
III.1.2.1.Généralité
Les systèmes colloïdaux sont définis comme étant des dispersions de particules de
dimensions moyennes comprises entre 0.001 et 1μm et de faible vitesse de sédimentation. Ces
produits peuvent être d’origine minérale (sables, limons, argiles, ...) ou organique (produits de
la décomposition des matières végétales ou animales, acides humiques). Ces substances sont
responsables, en particulier, de la turbidité et de la couleur.
III.1.2.2. Structure de colloïdes
Pour expliquer la grande stabilité des colloïdes, on fera appel à la théorie de la double
couche électrique émise en 1879 par HOLMOLTZ et développée ensuite par plusieurs
chercheurs dont HUCKEL, STERN et GOUY. Elle se résume ainsi : dans une eau de surface,
les colloïdes portent des charges négatives situées à leur surface. Ces charges négatives
attirent les ions positifs en solution dans l'eau. Ceux-ci sont étroitement collés au colloïde et
forment la couche liée ou de STERN (couche fixe), qui attire à son tour des anions
accompagnés d’une faible quantité de cations : c'est la couche diffuse ou de GOUY (couche
mobile). Il y a donc formation d’une double couche ionique, l'une accompagnant la particule
lors de ces déplacements, l'autre se déplaçant indépendamment ou avec un certain retard.
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21
Figure n°8 : Particules colloïdales et potentiels
III.1.2.3. Déstabilisation des colloïdes
Facteurs de déstabilisation :
Forces d’attraction inter- particulaires :
D’après les théories de Van Der Waals, il existe, entre les atomes ou molécules
constituant la matière des forces attractives dites de cohésion. Cependant, ce sont des forces
qui ne sont prépondérantes qu’à très faible distance, dès lors, la double couche rend très
improbable la manifestation de telles forces.
Ce n’est qu’après destruction de la double couche que les particules peuvent se rapprocher
suffisamment pour que les forces d’attraction deviennent prépondérantes et permettent ainsi
leur agglomération.
Facteurs de déstabilisation :
L’addition d’une substance capable de se fixer simultanément sur deux particules
colloïdales permet l’agglomération de celles-ci. Ceci peut être réalisé grâce :
- à l’addition de substances macromoléculaires solubles à chaîne linéaire, qui est absorbé à la
surface des particules qu’elles relient entre elles par des « ponts » matériels.
- à l’adjonction de sels minéraux, dont l’hydrolyse se traduit par la formation d’un précipité
floconneux, capable d’absorber et de piéger les particules avec lesquels ils entrent en contact.
Le potentiel Zêta :
C’est un potentiel caractéristique des forces répulsives entre particules. Dans l'eau
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brute, les colloïdes sont généralement chargés négativement et se repoussent mutuellement.
Afin de neutraliser cette charge superficielle négative, on ajoute des cations qui forment une
couche autour du colloïde favorisant le rapprochement des particules. Pour mesurer la
puissance de charge de la particule, on utilise un Zétamètre.
Théoriquement, la coagulation se produit à l'annulation de ce potentiel, ce qui correspond à
une complète neutralisation de charge. Mais, en pratique, il suffit que ce potentiel soit
légèrement négatif.
Le processus de coagulation -floculation est donc un processus permettant l’élimination de la
turbidité, de matières en suspension, de la couleur et de la dureté.
Figure n°9 : Coagulation - floculation
III.2. Coagulants et floculants
L’efficacité des coagulants est directement liée à la valence des cations utilisés. Les
ions trivalents sont dix fois plus efficaces que les ions divalents. C’est pourquoi, les sels
d’aluminium et de fer sont les plus utilisés dans le monde entier.
III.2.1. Choix du coagulant :
Les coagulants doivent répondre à plusieurs exigences. Ils doivent être peu couteux,
inoffensifs et permettre une coagulation - floculation efficace.
Mémoire de fin d’études
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23
III.2.2. Différents types de coagulants-floculants utilisés
III.2.2.1. Coagulants
Coagulants minéraux Coagulants organiques
Sels métalliques simples
Chlorure ferrique (FeCl3, 6H2O)
Sulfate d’aluminium (Al2(SO4)3, 18 H20)
Sulfate ferrique (Fe2(SO4)3, 9H2O)
Sulfate ferreux (FeSO4, 7H2O)
Aluminate de sodium : NaAlO2
Sels métalliques polymérisés
Polychlorure basique d’aluminium (PCBA)
Polycholorosulfates basiques d’aluminium
PolyAluminium Chloride (PAC):
Aln(OH)mCl3n-m
PolyAluminium Sulphate Chloride (PACS):
Aln(OH)m (SO4)3 Cl3n-m-2x
Epichlorhydrine diméthylamine (EpiDMA)
Polychlorure de diallyldiméthyl ammomium
(polyDADMAC)
Résines mélamines formaldéhydes
Moringa Oleifera
Tableau 7: Coagulants organiques et minéraux
EpiDMA
Ce produit est préconisé pour le traitement d’une eau peu turbide.
PolyDADMAC
Il est recommandé pour le traitement des eaux turbides et/ ou chargées en algues.
Moringa Oleifera
Le Moringasp, est une espèce d'arbres tropicaux dont une variété, Moringa oleifera
famille Moringaceae est largement cultivée au Kenya pour ces nombreuses applications.
Le moringa drouhardii (variété de baobab) est aperçu au Sud et Sud-ouest de Madagascar.
Figure n°10 : Moringa drouhardii
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24
Pour obtenir la solution coagulante, il suffit de :
broyer les graines de Moringa Oleifera séchées afin de les réduire en poudre
diluer la poudre dans l'eau
mélanger pendant 30 minutes à 20°C
préfiltrer puis filtrer à 0,45 µm.
III.2.2.2. Floculants
Floculants minéraux Floculants organiques
Silice activée (polymère anionique
linéaire)
Bentonite
Origine naturelle
Acide alginique
Alginate de sodium
Origine synthétique : Polyélectrolytes anioniques,
cationiques ou non anionique, à très haute masse
molaire (Polyacrylates, polyacrylamides,
polyamines,…)
Tableau 8: Floculants organiques et minéraux
III.2.3. Comparaison entre coagulants organiques et minéraux
III.2.3.1. Production de boue
Le mode d'action des coagulants minéraux entraîne la production d'hydroxyde
métallique formant une boue volumineuse. Par exemple, pour 1 gramme de sulfate
d'aluminium utilisé, on génère 0,456 gramme d'hydroxyde d'aluminium.
A l'opposé, les coagulants organiques ne génèrent aucune boue exogène. Ceci est très
important compte tenu du coût de la déshydratation et de la destruction des boues.
III.2.3.2. Durée de vie des filtres à sable
L'utilisation des coagulants organiques en filtration directe permet :
- de réduire la quantité de boue à traiter
- de changer la nature du floc et de le rendre plus filtrable
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III.2.3.3. Neutralisation du pH
L'emploi des coagulants minéraux nécessite généralement une neutralisation avec de la
soude ou de la chaux.
Celle-ci peut être considérablement réduite, voire éliminée, lorsque les coagulants organiques
sont utilisés. De plus, il est souvent nécessaire de travailler avec un pH précis et constant avec
les coagulants minéraux alors que les coagulants organiques sont beaucoup moins sensibles
au pH.
III.2.3.4. Résiduel en fer ou aluminium
L'emploi de coagulants organiques permet la réduction des teneurs résiduelles en fer
ou en aluminium. Dans certains cas, c'est la seule solution pour obtenir un rejet conforme aux
réglementations.
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DEUXIEME PARTIE :
Etudes expérimentales
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Chapitre 4 : Réactifs et matériels utilisés
[6] [12]
IV.1. Réactifs utilisés
Durant les essais de traitement de l’eau brute de surface du lac Mandroseza effectués
au laboratoire central, on a fait appel à plusieurs réactifs que ce soit lors du traitement ou lors
des diverses analyses.
IV.1.1. Réactifs utilisés lors du traitement
IV.1.1.1. Sulfate d’aluminium
Le sulfate d’aluminium est la référence en matière de traitement des eaux de boisson
dans le monde entier. Il est parmi les coagulants efficaces; il est relativement sans danger à
manipuler et de coût modéré. Il présente peu de risque d’exposition à des substances
chimiques toxiques. On l'appelle parfois de manière incorrecte l'alun.
Propriétés chimiques
Le sulfate d'aluminium est formé par la combinaison de deux cations aluminium (Al3+
) et de
trois anions sulfate (SO42-
).
Il a donc pour formule brute: Al2(SO4)3
Sa masse molaire est égale à 342.151 g/mol
Propriétés physiques
Il est sous forme de cristaux blancs.
Sa solubilité dans l’eau est réalisée à 20 °C : 36,4g/100 ml
Il est insoluble dans l’éthanol
Sa masse volumique est égale à 2.71g.cm-3
Il ne possède pas de point d’ébullition
Sa densité est de 1.61 g/ml
Une solution mère de 10g/l est préparée par dissolution du sulfate d’aluminium dans de l’eau