Contribution À L'amélioration De La Qualité Des Eaux Albiennes (Cas Du

UNIVERSITE KASDI MERBAH – OUARGLA - FACULTE DES SIENCES APPLIQUEES Département Génie Civil et Hydraulique

Mémoire MASTER PROFESSIONNEL Filière : Hydraulique Spécialité : Traitement des eaux

Thème :

Contribution à l’amélioration de la qualité des eaux Albiennes (cas du Forage d’Ain El Beida)

Présenté par : Mme DEBABECHE Saida

Les membres de jury :

Président Mr. NETTARI Kamel M.A.A UKM Ouargla Encadreur Mme.BOUZAYANE Lamya M.C.B UKM Ouargla Examinateur Mme.Gherairi Fatiha UKM Ouargla

Année Universitaire : 2018-2019

REMERCIMENTS

En tout premier lieu, je remercie Dieu, tout puissant, de m'avoir donné le courage, la force, et la patience d'achever ce modeste travail. Je tiens à remercier Madame Bouzayane Lamya qui a bien voulu accepter la direction de ce mémoire malgré ses innombrables responsabilités. Je voudrais également remercier Monsieur Kateb Samiret Monsieur SeguaySoufiane, ainsi que tous les enseignions qui mon enseignée cette année. J'adresse mes remerciements aussi à mes collègues Fatima et Lalla qui m'ont montré durant cette année une amabilité et une forte compréhensibilité. Je voudrais dire un grand merci à mon mari Samir qui n'a cessé de m'encourager de me tendre la main et de me montrer par sa patience et sa générosité combien le savoir était important pour les gens qui tiennent compte de l'intérêt de la science et du progrès. A mon mari Samir je dis merci.

Dédicaces

Du profond de mon cœur, je dédie ce modeste travail à tous ceux qui sont chers :

À mon mari Daoudi Samir.

À ma mère, mes sœurs et frères.

À mes enfants ; Sihem,

Salim, Rabie, Kaouthar et Youcef qui ont eu à supporter mes nombreuses absences, et à ma belle-fille Ismahene.

Je dédie aussi ce travail à toute la famille Daoudi et la famille Debabeche.

SOMMAIRE

Introduction générale……………………………………………………………………1

I. Présentation de la ville d’Ouargla :……………………………………………………2

I.1.Situation géographique :……………………………..……………………………2

I.2.Organisation administrative :…………………..………………………………….4

I.3Caractéristiques Climatiques :………………………………….………………….5

I.3.1.Les précipitations :………………………..………………………………….7

I.3.2.Températures :……………………………………………………………….7

I.3.3.L’Humidité de l’air :………….. …………… ………………………………7

I.3.4.Le vent :…………………………………..... ……………………………….7

I.3.5. L’insolation :……………………………… ………………………………..7

I.4. Hydrogéologie :…………………………….... ……………………………….....7

I.4.1.Nappe continentale Intercalaire (CI) :……………………………...………..8

I.4.1.1.Nappe de l'Albien :………………………………….………………….8

I.4.2. La nappe du complexe terminal (C.T) :…………….…………………. …..9

I.4.3 La nappe phréatique :……………………….... …………………………….9

I.4.4 Sebkhas et Chotts :……………………………...……………………………9

II. Présentation de la région d’étude :…………………………………………………..10

II.1Présentation de la commune d’Ain El Beida :…………………………………..10

II.2.Présentation de la station d’étude (forage albien de Ain El Beida) : …………...10

II.2.1. Introduction :……………………………………………………………...10

II.2.2.Implantation :………………………………………………………………11

Figure 6. Carte d’implantation (forage Albien) Google Earth…………………...11

II.2.3. Coupes Lithologiques :…………………………………….………………11 II.2.4. Fiche technique :…………………………………………………………..14

SOMMAIRE

III. Introduction :……………………………………………………………………….15

III.1.Définition des appellations des eaux :…………………………………………15

III.1.1.Une eau Brute :……………………………………………………………15

III.1.2.Une eau dure :…………………………………………………………….15

III.1.3.Une eau Traité :…………………………………………………………...15

III.1.4.Une eau potable :………………………………………………………….16

III.2.Les paramètre de potabilité de l’eau :…………………………………...……..16

III.2.1.Paramètres organoleptiques de l’eau :…………………………………….16

III.2.2. Paramètres physiques :…………………………………………………...17

III.2.2.1La température :……………………………………………………...17

III.2.2.2La conductivité électrique…………………………………………...17

III.2.3 Les paramètres chimiques :……………………………………………….18

III.2.3.1. Le potentiel d’hydrogène (pH) :…………………………………….18

III.2.3.2. La dureté : Le Titre Hydrotimétrique (TH)…………………………19

III.2.3.3. Titre Alcalimétrique (TA et TAC) :………………………………...19

III.2.3.4.La matière solide dissoute totale (TDS) :……………………………20

III.2.3.5.Oxygène dissous :……………………………………………………20

III.3.Composition chimique de l’eau :………………………………………………20

III.3.1. Sels minéraux nécessaires :………………………………………………20

III.3.1.1. Calcium Ca2+ :……………………………………………………...20

III.3.1.2. MagnésiumMg2+ :………………………………………………….21

III.3.1.3. Sodium Na+ :………………………………………………………..21

III.3.1.4. Bicarbonates HCO3- :(Hydrogénocarbonates) ……………………..21

III.3.1.5. Chlorures Cl- :………………………………………………………22

III.3.1.6. Sulfates SO42- :……………………………………………………..22

SOMMAIRE

III.3.1.7Potassium (K+) :……………………………………………………..22

III.3.2.Elément indésirables :…………………………………………………….22

III.3.2.1.Fer (F2+) :…………………………………………………………...23

III.3.2.2.Le Manganèse (Mn2+) :…………………………………………….23

III.3.2.3.Nitrites NO2- :………………………………………………………23

III.3.3Elément toxiques :………………………………………………………...24

III.3.4.Propriété bactériologiques :……………………………………………….24

III.3.5Détermination de l’Indice de stabilité des eaux :…………………………25

Conclusion :……………………………………………………………………...28

III.3.6. L’entartrage est ses conséquences :………………………………………29

III.3.7.Classification de l’eau :…………………………………………………...29

III.3.7.1Les résultats d’analyses obtenus :……………………………………………..30

III.3.8. Outils d’analyse des données : …………………………………………..30

IV. Tour de refroidissement : …………………………..………………………………35

Introduction :…………………………………………………………………………...35

IV.1.Modes de transfert de chaleur :………………………………………………...35

IV.2.Température et chaleur :……………………………………………………….37

IV.2.2. La quantité de chaleur :…………………………………………………..38

IV.3. Description d’un tour de refroidissement :……………………………………42

IV.3.1.Introduction :……………………………………………………………...42

IV.3.2 Historique d’un tour de refroidissement :………………………………...42

IV.3.3. Les différents types des tours de refroidissement :………………………43

IV.3.4.Les principaux composants d’un tour de refroidissement :………………45

IV.5.1.Le corps d’échange ou packing :…………………………………………46

IV.5.2.Le pare-gouttelettes :……………………………………………………...46

SOMMAIRE

IV.5.3. Les rampes de dispersion (rampes de pulvérisation) :…………………..47

IV.5.4. Le bassin de rétention :…………………………………………………..48

IV.5.5. Les ventilateurs :…………………………………………………………48

IV.5.6. L'échangeur intermédiaire :………………………………………………49

IV.5.7. La pompe de circulation additionnelle :………………………………….49

IV.6.Principe fondamental de tour de refroidissement :…………………………….49

IV.7.Impact sur le risque de prolifération des légionelles :…………………………50

.VI.8.Nettoyage de tour de refroidissement :………………………………………..50

VI.9. Choix du type de refroidisseur pour la station d’étude :………………………51

V.1. Présentation de la station :……………………………………………………..52

V.2. Description du fonctionnement :……………………………………………….53

V.2.1. Pré-traitement :……………………………………………………………53

V.2.2. Schéma de fonctionnement de la membrane :…………………………….57

V.2.3. Post-traitement : …………………………………………………………..58

V2.4. La nanofiltration :………………………………………………………….58

V.3. Introduction sur le dessalement………………………………………………...58

V.3.1 Introduction sur le dessalement……………………………………………58

V.3.2. Les principales technologies de dessalement des eaux :………………….58

V.4.Procédé à membranes………………………………………………. ………….60

V.4.1. L’Osmose inverse :………………………………………………………..60

V.4.2. Principe de l’osmose inverse :…………………………………………….60

V.4.3. Schéma général d'une installation d'osmose inverse :…………………….61

V.4.4. Pression osmotique :………………………………………………………62

V.4.5. Caractéristiques principales d'une unité d'osmose inverse :………………62

V.4.5. Modules d'osmose inverse :……………………………………………….62

SOMMAIRE

V.5. Dimensionnement de la station de déminéralisation d’Ain El Beida :………...63

V.5.1. Dimensionnement du filtre à sable rapide :……………………………...63

V.5.2. Dimensionnement du filtre à cartouche :…………………………………65

V.5.3. Dimensionnement des modules d'osmose inverse :………………………66

Conclusion

Bibliographie

Annexe

Liste des figures

Figure n°1 : Carte géographique de la Wilaya d’Ouargla.(google Erth) Figure n°2 : Carte géographique d’Ouargla Figure n°3. Carte de la région d’Ouargla (Satellite ).

Figure n°4. Les systèmes aquifères (TAIBI-SASS –Alger-18 Juillet 2017) Figure n°5. (Carte de localisation de Ain El Beida,(plan et image satellite de la ville ) Figure n°6. Carte d’implantation (forage Albien) Google Earth Figure n°7 : Les plages du titre hydrotimétrique

Figure n°8 : Entartrage de canalisation

Figure n°9 : un tour ouvert

Figure n°10: Tour à circuit fermé

Figure n°10 : les principaux composants d’un tour de refroidissement[15].

Figure n°11 : Corps d’échange avec Canaux verticaux [15]. Figure n°12 : Exemples de pare-gouttelettes Figure n°13 : Système de dispersion du fluide à refroidir[15].

Figure n°14 : Exemples de bassin de rétention avec point de vidange [15]

Figure n°15 : ventilateurs centrifuge et axial [15]

Figure n°16 : bloc diagramme

Figure n°17 : Etapes du prétraitement avant osmose inverse (C.TANKASUL, 2009).

Figure n°18 : Structure interne d’une membrane à spirale (d’après Degrémont-1989)

Figure n°19 : Les différents procédés de dessalement

Figure n° 20 : principe de l’osmose et de l’osmose inverse

Figure n°21 : Schéma de principe d'une unité d'osmose inverse (A.Maurel, 2006)

Liste des tableaux

Tableau n°1. Données climatiques de la région d’Ouargla pour la période (2007- 2017)

Tableau 02 : Qualité de l’eau en fonction de la conductivité électrique (14)

Tableau 03 : La potabilité en fonction des résidus secs(14). Tableau 06 : Agressivité d’une eau en fonction de l’indice de Ryznar

Tableau 05 : Valeurs des paramètres B, C et D en fonction de la température, du TH ou de la TAC

Tableau n°07: les analyses d’eau du forage Albien d’Ain El Beida

Tableau n°8 : Les types de filtres à sable

Tableau N°9 : Les types de filtres à cartouche

Introduction générale

L’eau, ou l’or Bleu, est une ressource vitale pour l’homme, recouvre plus de 70% du globe. Cependant, l’eau potable est loin d’être présente en abondance : en effet, l’eau douce ne représente que 2% de l’eau de notre planète. Nous pouvons puiser cette eau indispensable à notre survie grâce à des forages, et celle-ci nous provient de glaciers, de nappes souterraines ou encore de sources. Le reste provient des eaux de surface que constituent les lacs et les rivières. Toutes ces sources d’eau douce sont renouvelables car la pluie et la neige contribuent à les réapprovisionner de près de 200 milliards de mètres carrées par an, mais il ne faut tout de même pas en abuser car certaines nappes phréatiques, par exemple, s'assèchent à force d'être exploitées : l'eau douce constitue une denrée de plus en plus rare et précieuse. Pour obtenir de l'eau potable, l'eau douce puisée nécessite de subir certains traitements définis par des normes de potabilité : ainsi, nous devons la débarrasser d’impuretés, de bactéries voire même de traces de minéraux trop fortes afin qu'elle devienne potable et qu'elle puisse donc être bue sans risque par l’homme. Pour réaliser ces traitements, la plupart des pays riches proposent un système de traitement et de distribution de l'eau collectif. Il y a différents types de traitements : d’une part, physico-chimiques avec l’utilisation de la décantation ou d'actions plus complexes telles que l'injection d'ozone ou la floculation. D’autre part, il existe également des procédés biologiques comme la filtration sur sable. Mais ces traitements ne sont reproductibles qu’en usine, dans des centres de traitement des eaux. Aussi peu de personnes connaissent-elles le trajet que l’eau effectue pour arriver, à nos robinets, saine pour notre organisme [1]. La dureté d’une eau, c'est-à-dire son degré d’hydrotimétrique dépend en grande partie de sa concentration en sels de calcium et de magnésium. Il qu’une eau dure présente des avantages pour la santé, car une partie des minéraux qu’elle renferme est probablement mieux assimilé par l’organisme [1]. La dureté de l’eau résulte de son contact avec les formations rocheuses lors de son passage dans le sous sols. Elle varie donc en fonction de la nature de celui-ci et de la région d’où provient l’eau. Pour réduire la dureté de l’eau il y’a plusieurs méthodes comme l’échange d’ion, l’osmose inverse et l’adoucissement par précipitation chimique [1]. De nos jours le phénomène d’entartrage est l’un des plus grands problèmes qui menacent l’avenir des infrastructures hydrauliques. Cette menace est liée à la présence dans les eaux

Introduction générale souterraines d’éléments responsables de la dureté (Ca+2, Mg+2, Fe+2 ...) et aux conditions favorables à l’entartrage (température, pH) [2]. La solution nécessite la maîtrise des facteurs et les procédés adéquats pour réduire la dureté des eaux de la nappe albienne. Dans ce travail, on a mené à l’amélioration de la qualité des eaux albiennes, on a choisit pour cela le procédé d’osmose inverse pour réduire la minéralisation. Le travail a été fait sur une eau de forage albien d’Ain El Beida. Nous avons structuré notre mémoire en(05) chapitres :

 Le premier chapitre Présentation de la ville d’Ouargla.  La deuxième chapitre Présentation de la zone d'étude.  La troisième chapitre Généralité sur la qualité des eaux potables.  La quatrième chapitre Généralité sur le procédé de traitement thermique (les refroidisseurs)  La cinquième chapitre Les techniques de traitement membranaires et dimensionnement de la station d’osmose inverse.  Au terme de cette étude, une conclusion est donnée.

Présentation de la ville d’Ouargla

Chapitre 01 Présentation de la ville d’Ouargla

I.Présentation de la ville d’Ouargla :

I.1.Situation géographique : La ville d’Ouargla est le chef lieu de la wilaya, se situé dans une cuvette dans le sud Algérien (fig 1) à 128 mètre d’altitude par rapport au niveau de la mer, se situe à 190 Km à l’est de Ghardaïa, 160 Km au sud –ouest de Touggourt, 388 Km au sud de Biskra. Elle inclut les agglomérations de Ouargla, N’goussa, Rouissat, Ain El Beida et Sidi Khouiled. [3]

Figure 1 : Carte géographique de la Wilaya d’Ouargla.(google Erth) La Wilaya d’’Ouargla est située au Sud-est du pays, est limitée : (Fig 2)

 Au Nord : par les wilayas de Djelfa et d’Eloued.  A L’est : par la Tunisie.  Au Sud : par les Wilayas de Tamanrasset et d’Illizi.  A L’Ouest : par la Wilaya de Ghardaïa.

Chapitre 01 Présentation de la ville d’Ouargla

Figure 2 : Carte géographique d’Ouargla

Les oasis sont irrigués à partir de puits artésiens d’une profondeur moyenne de 60 mètres. La distance du sud au Nord est de 70Km, celle de l’est à l’ouest de 20 Km. Elle présente une superficie totale 163.233 Km2 limitée : (fig3)

 Au Nord par SebkhetSafioune.  A l’est par les Ergs Touil et Arifdji.  Au Sud par les dunes de Sedrata.  A l’ouest par les versant et le dorsale de M’Zab.

Chapitre 01 Présentation de la ville d’Ouargla

Figure 3. Carte de la région d’Ouargla (Satellite ).

I.2.Organisation administrative :

La wilaya d’Ouargla compte 21 communes regroupées en 10 Daïras.

Daïra Commune EL BORMA El Borma El Hadjira EL HADJIRA Al Alia HASSI MESSAOUD Hassi Messaoud Meggarine MEGGARINE Sidi Slimane N'GOUSSA N'goussa Ouargla OUARGLA Rouissat Sidi Khouiled SIDI KHOUILED Ain Beida Hassi ben Abdellah Taibet TAIBET Bennaceur M'Nagueur Temacine TEMACINE Blidet Amor Touggourt Nezzla TOUGGOURT Tebesbest Zaouia El Abidia 4

Chapitre 01 Présentation de la ville d’Ouargla

I.3Caractéristiques Climatiques :

Le Sahara Algérien se caractérise par un climat chaud et aride, donc une intense sécheresse avec un taux d’humidité très faible

Ouargla bénéfice d’un climat désertique chaud avec des étés très longs et extrêmement chauds et des hivers courts et très doux. Le climat y est aride toute l’année puisque les précipitations moyennes annuelles sont très faibles. La sécheresse y est encore plus accentuée[3]

Le domaine saharien est soumis à des vents fréquents dont le souffle est souvent très sec (Sirocco). Les pluies deviennent très peu abondantes. Face à ses précipitations faibles, l’évaporation est très forte (plusieurs mètres par an), elle est particulièrement développée dans la dépression du bas Sahara, ou les chotts représentent de véritables appareils évaporatoires. Cette évaporation intense entraîne une augmentation de la salinité des eaux souterraines, ce qui constitue un des problèmes majeurs des régions Sahariennes.

Chapitre 01 Présentation de la ville d’Ouargla

Tableau n°1. Données climatiques de la région d’Ouargla pour la période (2007-2017)

T T Max H min H Max V Max RR EVA INS

Années min(c°) (C°) (%) (%) (m/s) (mm) (mm) (Heure)

Janv 5.34 19.34 35.54 79.18 8.14 7.73 93.49 249.6

Fév 7.51 21.46 28.27 68.72 9.37 2.19 122.7 239.26

Mars 10.39 25.50 23.72 63.27 10.10 4.71 189.01 270.13

Avr 15.40 30.68 20.09 55.09 11.44 1.66 238.83 280.91

Mai 20.52 35.4 16.81 45.45 11.53 1.46 317.53 301.59

Juin 24.59 39.68 15.09 40.81 10.38 0.73 378.58 237.6

Jui 27.64 41.12 13.63 35.36 9.3 0.31 436.6 234.01

Aout 27.61 39.42 15 39.54 9.1 0.50 396.55 338

Sept 24.12 37.31 20.27 52.36 9.61 4.59 282.78 264.62

Act 17.85 31.84 25 61.72 9.62 5.66 210.31 267.00

Nov 10.43 24.34 31.09 73.72 7.49 2.44 122.32 252.14

Déc 6.10 19.50 36.81 77 7.50 8.64 85.71 228.41

Moyenne 40.72 2874.41

*cumul 16.45 30.46 23.44 57.68 9.46 * * 271.10

source( ONM.2017)

Tmin : Température minimale Tmax : Température maximale H min : Humidité minimale H max : Humidité maximale V max : Vent maximale RR : Précipitations EVA : évapotranspiration INS :Insolation 6

Chapitre 01 Présentation de la ville d’Ouargla

I.3.1.Les précipitations : L’insuffisance de pluies sahariennes est accompagnée d’une irrégularité très marqué du régime pluviométrique et d’une variabilité interannuelle considérable, ce qui accentue la sécheresse. Les précipitations sont très rares, tombent en mois de Décembre 8.64mm.

I.3.2.Températures : A Ouargla, la température minimale moyenne annuelle est de 5.34C° pour le mois le plus froid (janvier), et une température maximale moyenne annuelle de 41.12C° pour le mois le plus chaud (juillet).

I.3.3.L’Humidité de l’air : AOuargla, l’Humidité minimale moyenne annuelle est de 15% pour le mois d’Aout et l’humidité maximale moyenne annuelle est de 79.18% pour le mois de (janvier).

I.3.4.Le vent : D’après le tableau 1, on constate que le vent pour la période (2007-2017) avec une vitesse moyenne de 9.46Km/h avec un maximum au mois de Mai (11.53Km/h).

Dans la région d’Ouargla les vents soufflent du nord-est et du Sud. Les vents les plus fréquents en hiver sont les vents d’Ouest, tandis qu’au printemps les vents du nord-est et de l’Ouest dominent, en été ils soufflent du nord-est et en automne du nord-est et sud-ouest (DUBIEF, 1963 inKORICHI, 2007). [1]

I.3.5. L’insolation : La région d’Ouargla est caractérisée par une forte insolation. Avec un maximum de (228.41 heures) en Décembre.

I.4. Hydrogéologie : Selon l’A.N.R.H. (2000), il existe trois aquifères dans la région de Ouargla, à la base, se situe la nappe du continental intercalaire qui classe l’un des plus grands réservoirs captifs du monde (CI) ; au milieu, se localise la nappe du complexe terminal (CT) et au sommet, s’installent les nappes phréatiques (non exploités). Les deux nappes, CI et CT sont actuellement, les deux principales ressources hydriques disponibles dans la région d’Ouargla, mais les nappe phréatique (nappe superficielle) peuvent être considérées actuellement comme ressource hydrique à forte salinité non exploitée. [2].

Chapitre 01 Présentation de la ville d’Ouargla

I.4.1.Nappe continentale Intercalaire (CI) : La nappe est de nature gréseux, sable et argile. C’est le plus grand réservoir dans tous le Sahara, d’âge crétacé inférieur (Barrémien et Albien),le réservoir s’étend sur une superficie environ 600000Km2,il s’étend sur tout le bassin sédimentaire du Sahara septentrional, de la vallée d’oued Saoura à l’Ouest,en territoire Tunisien et Libyen à l’Est .Au Nord-Est de la dorsal du M’Zab,le toit de l’aquifère est constitué d’argiles et d’évaporites du Cénomanien, à une continuité sur tout le bassin d’Ouargla et d’une épaisseur environ de 600m, d’une profondeur allons de 1200 à 1500m.(fig4)

Généralement, les eaux de l’Albien sont beaucoup plus chaudes à forte pression et la température est d’environ 55C°, ce qui pose de nombreux problèmes. Cette nappe est caractérisée par une faible teneur en sel (1.7 à 2 g/l au maximum), la profondeur augmente du Sud au Nord, de 1000m au bas Sahara à 2000m sous les chotts. [3].

I.4.1.1.Nappe de l'Albien : La nappe de l'Albien est la plus grande réserve d'eau douce au monde. Elle est à cheval sur trois pays, l’Algérie, la Libye et la Tunisie. 70 % de la nappe se trouve en territoire algérien au sud-est du pays. (fig4).

Description :

La nappe de l'Albien se trouve en grande partie dans le Sahara algérien, elle est la plus grande réserve d'eau douce au monde. Elle contient plus de 50 000 milliards de mètres cubes d'eau douce, l'équivalent de 50 000 fois le barrage de Béni Haroun qui se trouve à l'est du pays et qui alimente six wilayas limitrophes. Cette eau est le résultat de l'accumulation qui s'est effectuée au cours des périodes humides qui se sont succédé depuis 1 million d'années.

La nappe s’étend dans une zone presque deux fois plus grande que la France, entre la Libye, la Tunisie et majoritairement l'Algérie. La répartition territoriale est estimée à pour l'Algérie : 70%, pour la Libye : 20% et enfin pour la Tunisie : 10%.

Chapitre 01 Présentation de la ville d’Ouargla

I.4.2. La nappe du complexe terminal (C.T) : Le système aquifère du C.T, couvre la majeure partie du bassin du Sahara septentrional sur environ 350000 Km, sa profondeur varie entre 100 à 400m, cette nappe du C.T est composée de trois nappes aquifères, de bas en haut, qui sont :(fig4)

 La nappe du Turonien  La nappe du Sénonien  La nappe du mio-pliocène.

Figure 4. Les systèmes aquifères (TAIBI-SASS –Alger-18 Juillet 2017)

I.4.3La nappe phréatique : La nappe phréatique repose sur une épaisse couche imperméable, qui s’étend tout au long de vallée de l’Oued m’ya, sa profondeur varie de 1 à 3m dans les zones urbaines et de 0.5 à0.9m dans les zones agricoles Elle s’écoule du sud vers le nord suivant la pente de la vallée. La qualité des eaux de la nappe phréatique est très dégradée, la conductivité est très forte elle augmente en allant du Sud vers le Nord.les eaux de cette nappe sont très salées (50g/l). [3].

I.4.4Sebkhas et Chotts : Le milieu naturel est constitué des Chotts et des Sebkhas qui sont sur le niveau le plus bas de la cuvette d’Ouargla. On distingue le Chott Ain El Beida, Oum-Erraneb, et SebkahetSafioune,les autres sont de moins importance comme les Chotts de SaidOkba et Bour El Haicha, les Sebkha de N’Goussa et Bamendil [1].

Présentation de la zone d’étude

Chapitre 02 Présentation de la zone d’étude

II. Présentation de la région d’étude :

II.1Présentation de la commune d’Ain El Beida : La ville d’Aïn Beida est une commune de la wilaya d'Ouargla en Algérie, elle est caractérisée par un climat désertique sec et chaud.(Fig 5).

 Latitude : 31.9387, Longitude : 5.38973

31°56’19’’ Nord 5°23’23’’ Est.

 Altitude : 124m  Superficie : 197300 hectars. (1973.00km2)

Figure 5. (Carte de localisation de Ain El Beida,(plan et image satellite de la ville )

II.2.Présentationde la station d’étude (forage albien de Ain El Beida) :

II.2.1. Introduction : Ce forage a été réalisé pour le renforcement et l’amélioration de l’AEP de la commune d’Ain El Beida et la Daïra de Sidi Khouiled.Il a été prévu pour cela la réalisation d’un forage Albien de 1455 ml à Ain El Beida dans la Wilaya d’Ouargla.[4].

Ce programme a été confié à l’entreprise SNC TASSILI.

Chapitre 02 Présentation de la zone d’étude

II.2.2.Implantation : Le forage d’eaua été implanté à environ 8 Km au Nord Est de la ville d’Ouargla dont les coordonnées d’implantation sont : [4].

X : 05° 24’ 35’’ E ; Y : 31° 56’ 47’’ N ; Z : 139m.

Figure 6. Carte d’implantation (forage Albien) Google Earth

II.2.3. Coupes Lithologiques : Durant la phase de perforation du forage, il a été procédé au prélèvement d’un échantillon chaque mètre. L’échantillon pris et ensuite lavé et mis dans un sachet étiqueté. Par suite, l’analyse de échantillons ont permis de reconstituer la coupe lithologique suivante :[4].

Chapitre 02 Présentation de la zone d’étude

II.2.4. Fiche technique : [4]

(Généralité sur la qualité des eaux potables)

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

III. Introduction : Dans ce chapitre, on doit savoir la stabilité de l’eau du forage Albien d’AinEl Beida, s’il s’agit d’une eau agressive ou incrustante, et après on passe à la détermination du faciès chimique de cette eau à partir des résultats des analyses physico-chimique de l’eau brute.

Avant tout ça, nous, rappelons un ensemble de connaissances générales sur l’eau, ainsi que les paramètres physico-chimiques des eaux souterraines.

III.1.Définition des appellations des eaux :

III.1.1.Une eau Brute: Est qualifiée d'eau brute, l'eau qui alimente un dispositif ou une station de production d'eau potable. En termes d'environnement et de service public de l'eau,il s'agit de l'eau captée, puisée ou recueillie qui est acheminée vers une station de traitement, afin de recevoir les traitements la rendant propre à la consommation humaine avant d'être distribuée dans le réseau d'adduction. Pour le particulier, l'éleveur ou l'agriculteur, l'eau brute est l'eau d'un forage, captage ou puisage qui est employée telle quelle pour arroser, irriguer ou abreuver les animaux. [5]

III.1.2.Une eau dure : Une eau dure désigne une eau à forte teneur en calcium et en magnésium, par opposition à une eau dite douce. L'eau dure peut aussi contenir des sels minéraux en grande quantité. On dit alors, dans le langage courant, qu’elle est calcaire. L'eau dure n'est généralement pas nocive pour la santé, mais peut poser de graves problèmes dans les milieux industriels.par contre une eau trop douce est une eau corrosive qui ronge les parois des canalisations favorisant la formation de fuites. Or les bactéries se développent préférentiellement aux points de fuite et de corrosion.[5]

III.1.3.Une eau Traité : Eau provenant d'une source non protégée ou d'un réseau de distribution d'eau, qui a subi un traitement destiné à la rendre bactériologiquement et chimiquement propre à la consommation. L'eau traitée est obtenue par divers procédés : distillation, microfiltration, désionisation, ozonation, osmose inverse, etc. Généralement, la teneur en sels minéraux de l'eau traitée varie de 10 à 500 milligrammes par litre. L'eau traitée peut ensuite être reminéralisée pour lui donner la teneur désirée en minéraux.[5]

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

III.1.4.Une eau potable : L'eau potable est une eau douce propre à la consommation humaine qui peut être utilisée sans restriction pour boire ou préparer la nourriture. L'eau potable est une ressource naturelle primaire à la consommation; la potabilité permet la survie des êtres vivants et les activités humaines fondamentales car l'eau subit un traitement qui élimine les agents pathogènes.

Selon l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), une eau potable est une eau que l’on peut boire sans risque pour la santé. L’OMS la définit comme une eau ayant les caractéristiques microbiennes, chimiques et physiques qui répondent aux directives de l’OMS ou aux normes nationales relatives à la qualité de l’eau de boisson. En clair, une eau potable est une eau qui ne contient pas d’agents pathogènes ou d’agents chimiques à des concentrations pouvant nuire à la santé.[5]

III.2.Les paramètre de potabilité de l’eau:

De connaître les critères permettant de s’assurer qu’une eau est potable.

Une eau potable est une eau que l’on peut consommer sans danger pour la santé car elle ne doit être ni toxique, ni infestée de bactéries, de parasites ou de virus nuisibles pour l’homme. Actuellement dans le monde plus de 4 millions de personnes meurent encore chaque année à cause d’une eau non potable et 885 millions n’y ont pas accès. Il est donc important de connaître les différentes normes et indicateurs de potabilité et de qualité afin de sensibiliser les personnes en charge de la gestion de l’eau sur l’importance du contrôle de la qualité de l’eau afin d’éviter autant de maladies et de mortalité.

L’appréciation de la qualité des eaux potables se base sur la mesure de paramètres physico-chimiques et physiques, ainsi que sur la présence ou l’absence d’organismes et de micro-organismes aquatiques.

En ce sens, les normes fixes les concentrations maximales admissibles (CMA). C’est-à- dire la quantité de telle ou substance qu’un individu peut absorber sans danger quotidiennement tout au long de sa vie.

III.2.1.Paramètres organoleptiques de l’eau: Les facteurs organoleptiques constituent souvent les facteurs d’alerte pour une pollution qui présentent un risque pour la santé [6] 16

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

Les paramètres organoleptiques sont liés à la couleur, à la saveur et à l’odeur de l’eau. En résumé, afin d’obtenir une qualité organoleptique, l’eau doit être agréable à boire, claire, fraîche et sans odeur. C’est d’ailleurs principalement pour ces aspects que le consommateur apprécie la qualité d’une eau. Néanmoins, il faut tout de même noter que ce sont des paramètres de confort. En effet, ces critères n'ont pas de valeur sanitaire directe. Une eau peut être trouble, colorée ou avoir une odeur particulière et néanmoins être consommable.[6]

III.2.1.1. La turbidité (transparence) : C’est un paramètre, qui varie en fonction des composés colloïdaux (argiles, débris de roche, micro-organismes,...) ou aux acides humiques (dégradation des végétaux) mais aussi pollutions qui troublent l’eau. Avec un appareil (turbidimètre) on mesure la résistance qu’elle oppose par l’eau au passage de la lumière pour lui donner une valeur. on mesure la turbidité par la méthode normalisée NTU (NephelometricTurbidity Unit) par spectrométrie, c’est à dire mesure de l’absorption de la lumière par l’eau. [7] NTU < 5 => eau claire ; NTU < 30 => eau légèrement trouble NTU > 50 => Eau trouble.

III.2.2. Paramètres physiques :

III.2.2.1.La température : Pour l’eau potable, la température maximale acceptable est de 15°c, car on admet que l’eau doit être rafraîchissante. Dans les eaux naturelles et au dessus de 15°c, il y a risque de croissance accélérée de micro-organismes, d’algues, entraînant des goûts et des odeurs désagréables ainsi qu’une augmentation de couleur et de la turbidité. Les variations de température saisonnières peuvent affecter les eaux, surtout quand elles sont superficielles. Une température élevée peut favoriser des goûts et des odeurs désagréables. De plus elle accélère la plupart des réactions physico-chimiques. [8].

III.2.2.2. La conductivité électrique :(unité : µS/cm à une température de 25°C) La conductivité permet d'évaluer rapidement et approximativement la minéralisation globale de l'eau. La mesure de conductivité est réalisée en mesurant la conductance d'une colonne d’eau comprise entre 2 électrodes métalliques (platine) de 1cm2 de surface et séparée l’une de l’autre de 1cm. elle s’exprime en micro Siemens par centimètre (µS/cm) à 25C°. La conductivité permet d’apprécier globalement l’ensemble des produits en solution dans l’eau. Si l’eau très pure est un isolant qui oppose une grande résistance au passage de l’électricité, il n’en 17

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables est plus de même lorsqu’elle est chargée en sels minéraux d’origine naturelle (calcium, magnésium, sodium, potassium). A cette minéralisation naturelle liée à la nature des sols s’ajoutent aussi ...les polluants. Les charges importantes de pollution organique augmente la conductivité. Conductivité électrique (µS/cm) Qualité de l’eau 50 à 400 Excellente 400 à 750 Bonne qualité 750 à 1500 Médiocre mais eau utilisable >à 1500 Minéralisation excessive Tableau 02 : Qualité de l’eau en fonction de la conductivité électrique [8].

III.2.2.3.Résidu sec : La détermination du résidu sec sur l’eau non filtrée permet d’évaluer la teneur en matières dissoutes et en suspension, non volatiles, obtenues après une évaporation d’eau. La potabilité des eaux en fonction des résidus secs recommandée par OMS est de 1000mg/l, quand celui-ci est extrait à 180C [9]. Résidu sec (mg/l) Potabilité RS<500 Bonne 500

Tableau 03 : La potabilité en fonction des résidus secs[8].

III.2.3 Les paramètres chimiques :

III.2.3.1. Le potentiel d’hydrogène (pH) : Le potentiel Hydrogène est un coefficient qui caractérise l'acidité ou la basicité d'une eau. Une eau est acide si son pH est inférieur à 7, basique si son pH est supérieur à 7. Une eau est dite neutre à pH 7. Le pH d'une eau naturelle dépend de son origine et de la nature des terrains traversés. Un pH inférieur à 7 peut provoquer une corrosion des tuyauteries métalliques. Supérieur à 8, il entraîne une diminution de l'efficacité du processus de désinfection au chlore et peut conduire à des dépôts incrustants dans les circuits de distribution. C’est cependant l’un des paramètres parmi les plus importants de la qualité de l’eau. Il doit étroitement surveillé au cours de toutes opérations de traitement.[10].

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

III.2.3.2. La dureté :Le Titre Hydrotimétrique (TH)

Elle dépend de la consommation de sels minéraux dans l'eau et se situe entre 15 et 20 degrés français (1°f= 4mg/l de calcium ou 2.4 mg/l de magnésium) pour la consommation domestique. Ces sels minéraux sont à l'origine de la formation du tartre dans les canalisations. Des réglages sont prévus sur les appareils ménagers en fonction de la dureté de l'eau. Le TitreHydrotimétrique ou dureté d'une eau correspond essentiellement à la présence de sels de calcium et de magnésium, liée aux terrains traversés. Une eau dure peut entartrer les tuyaux d'eau chaude et augmente le temps de cuisson des légumes. Une eau trop douce sera dite agressive parce que corrosive pour les conduites.Elle devra faire l’objet de minéralisation et/ou de neutralisation pour retrouver un équilibre calco-carbonique.(Fig 07)

Figure 07 : Les plages du titre hydrotimétrique

III.2.3.3. Titre Alcalimétrique (TA et TAC) : L’alcalinité d’une eau correspond à la présence de bases et de sels d’acides faibles. Dans les eaux naturelles, l’alcalinité résulte le plus généralement de la présence d’hydrogénocarbonates, carbonates, hydroxydes. D’autre sels d’acides faibles peuvent aussi être dosés et interfèrent dans la mesure : acide humiques, phosphates, citrates, tartrate. On distingue deux titres qui sont le titre alcalimétrique simple (TA), et le titre alcalimétrique complet(TAC).

L’unité de mesure utilisée est le degré français (1°f = 10 mg.L-1 de CaCO3 = 0.2 milliéquivalent- 1) [8].

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

Principe : La détermination de l’alcalinité est basée sur la neutralisation d’un certain volume d’eau par un acide minéral dilué, en présence d’un indicateur coloré.

III.2.3.4.La matière solide dissoute totale (TDS) :

TDS signifie total des solides dissous et représente la concentration totale des substances dissoutes dans l’eau. Le TDS est composé de sels inorganiques et de quelques matières organiques. Les sels inorganiques communs trouvés dans l’eau incluent le calcium, le magnésium, le potassium et le sodium qui sont tous des cations et des carbonates, nitrates, bicarbonates, chlorures et sulfates qui sont tous des anions. Des cations sont des ions chargés positivement et des anions sont des ions chargés négativement.

La plupart des gens pensent que le TDS à seulement un effet esthétique. Dans une étude réalisée par l’Organisation Mondial de la Santé (OMS), un jury de dégustateurs sont venu à la conclusion sur la quantité de TDS préférable dans l’eau. [11].

III.2.3.5.Oxygène dissous : L’oxygène dissous mesure la concentration du dioxygène dissous dans l’eau, il participe à la majorité des processus chimiques et biologiques en milieu aquatique[8].

III.3.Composition chimique de l’eau :

III.3.1. Sels minéraux nécessaires : La nature et la composition de l’eau sont en relation avec sa structure naturelle. Au contact prolongé su sol, les eaux se chargent de plusieurs substances que l’on trouve communément dans l’eau, il s’agit essentiellement de sels minéraux comme le calcium (Ca2+), le 2+ + - 2- - magnésium (Mg ), le potassium (K ), le chlore ( Cl ), les sulfates (SO4 ),bicarbonate (HCO3 ), 2- les carbonate (CO3 ).[3].

III.3.1.1. Calcium Ca2+: II est considéré comme un élément essentiel (99% dans le squelette), le calcium doit être fourni au corps humain à raison de 0.7 à 2 g/l. Des concentrations élevées dans l’eau ne 20

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables présentent pas de danger pour la santé. Le seuil de détection gustative se situe entre 100 à 300 mg/l. Dépendant de la température, du pH et de l’alcalinité de l’eau. La concentration en calcium constitue un facteur favorable selon le cas, soit l’entartrage (forte teneur), soit la corrosion (faible teneur). Une teneur suffisante peut provoquer un léger dépôt de carbonate sur les conduites métalliques qui les protègent contre la corrosion. [3].

La présence des ions Ca2+ dans les eaux des nappes est liée principalement à la 2+ 2- dissolution des formations carbonatées (CaCO3); CaCO3 =Ca +CO3

2+ 2- - et les formations gypseuses (CaSO4); CaSO4.2H2O= Ca +SO4 +2H2O. [12]

III.3.1.2. MagnésiumMg2+ : Elément indispensables à la vie, jouant un rôle important dans la respiration, Cet élément provient de la dissolution des formations carbonatées à fortes teneurs en magnésium ; selon la 2+ 2+ 2- relation suivante : Ca Mg (CO3)2 =Ca +Mg +2CO3 ,[12].

Le magnésium contribue au bon fonctionnement du système nerveux et à la contraction musculaire Il est indispensable pour la croissance et pour la production de certaines hormones.

La dureté magnésienne de l’eau représente ordinairement le tiers de la dureté totale. Le magnésium en excès donne une saveur amère à l’eau, sa valeur est de 10 à 50 mg/l (environ 40-

200mg/l. en CaCO3).[8].

III.3.1.3.Sodium Na+ : C’est un métal alcalin .Son origine est mer, terrain salé, industriel (potasse, industrie pétrolière).ainsi que, son origine dans les eaux est liée principalement au lessivage des dépôts évaporitiques et ceci par des phénomènes de lessivage, d’évaporation et par échange de base. La dissolution des minéraux salifères se fait selon la relation suivante :

NaCl = Na+ + Cl-

Les eaux très riche en sodium deviennent saumâtres, prennent un goût désagréable et ne peuvent pas être consommées. C’est un élément constituant de l’eau, toute fois, les concentrations valable à 500mg/l.[8].

- III.3.1.4. Bicarbonates HCO3 :(Hydrogénocarbonates) L’ion bicarbonate est le principal constituant alcalin de la plupart des eaux courantes. Sa présence dans l’eau est due à l’action des bactéries qui fournissent du CO2 à partir des minéraux contenant des carbonates. On le trouve souvent à une concentration de 5-500mg/l[8]. 21

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

Les bicarbonates résultent de la dissolution de carbonates de calcium ou suite à l’hydrolyse de CO2, comme le montre les équations suivantes :

2- CaCO3------>Ca2+ + CO3

+ CO2 + H2O------> H + HCO3

2- + - CO3 + H ------> HCO3

III.3.1.5. Chlorures Cl- : Ils sont les plus répandue dans la nature, généralement sous forme de sels de sodium

(NaCl), de potassium (KCl), et de calcium (CaCl2), la présence de chlorures dans les eaux naturelles peut être attribuée aux effluents des industries chimiques ou rejets des égouts. Chacune de ses sources pollution peut contaminer localement les eaux de surface et les eaux de souterraines. Les eaux chlorurées alcalines laxative, mais généralement les chlorures présent dans l'eau potable n'ont pas de conséquences toxiques pour l'homme, même à de fortes concentrations (1000mg/l). Ades concentrations élevées, ils peuvent provoquer des maladies rénales ou cardiovasculaires ou nuire le gout de l'eau en lui donnant une saveur salée. [9]

2- III.3.1.6. Sulfates SO4 : Les sulfates contenus dans l'eau souterraine sont fournis par la dissolution du gypse. Le gypse est un sulfate de calcium hydraté qui est faiblement soluble (7 g/l dans les conditions normales). Les nappes de l'Eocène ont des teneurs fréquentes comprises entre 25 et 100 mg/l mais qui peuvent localement dépasser 250 mg/l (valeur limite admissible), et même 1 g/l dans les formations à veines de gypse, valeurs qui rendent cette eau non potable. Les nappes captives en terrains calcaires sont moyennement à très sulfatées (30 à 200 mg/l, parfois supérieures à

250 mg/l). [9]

III.3.1.7. Potassium (K+) : La teneur du potassium dans les eaux naturelles est de l’ordre de 10 à 15mg/l à une telle valeur, le potassium ne présente pas d’inconvénients pour la santé des individus.

III.3.2.Elément indésirables : III.3.2.1.Fer (F2+): Dans les eaux souterraines, plus réductrices, le Fer va se retrouver sous forme ferreuse Fe2+ qui est soluble. Dans les eaux superficielles plus aérées, le Fer se trouve sous forme ferrique

F3+, insoluble et précipite sous forme d’hydroxyde ferrique Fe(OH)3 ; il sera donc associé aux 22

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables matières en suspension. Le Fer est un élément essentiel de la nutrition humaine. Les limites de potabilité sont basées sur les effets esthétiques, les effets ménagers et sur les inconvénients qu’il procure au réseau de distribution. Pour le sulfate de fer, on a trouvé comme seuil gustatif les valeurs 0.1 à 0.2 mg/l, mais la moyenne des individus testé n’ont perçu un goût qu’à partir de

1.8 mg/l.[2].

La présence de fer dans l'eau peut favoriser la prolifération de certaines souches de bactéries qui précipitent le fer ou corrodent les canalisations. L'eau est ferrugineuse notamment dans les nappes captives de la craie et des sables de l'Albien. Un traitement spécifique est alors nécessaire (précipitation en milieu oxydant). III.3.2.2.Le Manganèse (Mn2+) : Le manganèse est un composé très commun que l'on peut trouver partout sur terre. Le manganèse est nécessaire à l'homme pour survivre mais il est aussi toxique lorsque des concentrations trop élevées sont présentes dans le corps humain.

A des concentrations supérieures aux recommandations pour l’eau potable, le fer et le manganèse peuvent modifierle gout, l’odeur ou la couleur de l’eau de puits.[13].

- : III.3.2.2.Nitrates NO3

Sel de l'acide nitrique constitué d'azote et d'oxygène. Indispensable à la croissance des plantes, les nitrates sont utilisés pour l'amélioration des rendements agricoles (engrais). Très solubles, ils se retrouvent dans les sols, les nappes et les rivières par infiltration et ruissellement. Les nitrates sont considérés comme toxiques pour l'homme et plus particulièrement le nourrisson s'ils sont présents en trop grande quantité dans l'eau (>50 mg/l). (Limite maximale acceptable d’après L’OMS).[9].

- III.3.2.3.Nitrites NO2 : Un excès de nitrites dans les eaux de boisson peut provoquer de l’hypotension chez les adules et la méthémoglobinémie chez les nourrissons. Donc, il est conseillé qu’une eau potable ne doit pas contenir plus que 0.1 mg/l en azote nitreux. [3]

III.3.2.4.Fluorures F- : Les teneurs des fluorures les plus élevées se trouvent fréquemment dans les eaux souterraines. On considère généralement qu’une faible teneur en ion fluorure dans l’eau (0.5mg/l) est favorable à la formation de l’email dentaire et protège les dents contre la carie. Des

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables doses supérieures à 1.5 mg/l risque de faire, apparaître des taches sur l’email dentaire qui s’aggravent par des calcifications et des chutes des dents. [3].

III.3.3 Elément toxiques : Les éléments toxiques dans l’eau ayant une incidence sur la santé, ils regroupent les métaux lourds (Mercure Hg, Plomb Pb, cuivre Cu, Cadmium Cd2+, Crome Cr2+), les pesticides et les hydrocarbures. Actuellement pour les éléments toxiques dans l’eau les teneurs tolérées sont de lus en plus minimes, parfois de l’ordre de micro de gramme/l.

III.3.4.Propriété bactériologiques : L’eau destinée à la consommation humaine peut contenir des micro-organismes pathogènes pouvant être responsables d’épidermes. Les deux groupes de micro-organismes les plus utilisées comme indicateurs de contamination bactériennes sont les coliformes totaux et les coliformes fécaux .[3]

Ces bactéries coliformes responsables d'infections urinaires et intestinales. Se dit des bactéries gram négatives, présentes dans le côlon, dont la recherche dans l'eau et le dénombrement permettent d'évaluer la contamination fécale. La présence excessive de coliformes est un indice de pollution de l'eau. D’où un traitement spécifique est alors nécessaire[9]

Conclusion :

Il est intéressant de remarquer que pour qu’une eau soit déclarée potable, il ne faut pas nécessairement que les substances toxiques ou indésirables soient totalement absentes. De plus, nous pouvons souligner l’absence de normes concernant la présence de substances telles que les résidus médicamenteux. Aujourd’hui, le contrôle et l’amélioration de la qualité de l’eau sont une préoccupation permanente pour la protection de l’environnement et la santé des consommateurs. De ce fait l’eau potable doit être nécessairement analysée, surveillée et l’évaluation de sa qualité repose sur les paramètres physico-chimiques et bactériologiques.

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

III.3.5. Détermination de l’Indice de stabilité des eaux :

L’exploitation géothermique de la ressource en eau nécessite de connaître la stabilité chimique des eaux afin d’évaluer leur impact éventuel sur les systèmes de pompes à chaleur. A ce titre, une analyse physico chimique des eaux est nécessaire afin de qualifie ces eaux sous l’aspect de phénomène de stabilité d’eau.[14].

III.3.5.1. Choix D’un Indice De Stabilité Des Eaux :

On connaît depuis longtemps le rôle joué par le gaz carbonique dans l'équilibre des bicarbonates de calcium en solution dans l'eau.

++ - Ca + 2HCO 3 Ca CO3 + CO2 + H2O

La réaction précédente montre bien que le départ d'une certaine quantité de CO2 déplace l'équilibre et conduit à la formation de carbonate de calcium très peu soluble, le gaz carbonique libre est donc un facteur déterminant de l'équilibre physico-chimique d'une eau.

Toutefois, les travaux de nombreux auteurs (HOOVER, LANGELIER, LARSON & DUSWELL, etc...) ont permis d'établir que d'autres facteurs y jouent un rôle important, tels que la teneur en calcium, l'alcalinité, le pH, la totalité des sels dissous et la température.

Il suffit donc que l'un ou plusieurs de ces éléments subissent une modification quelconque pour que l'équilibre physico-chimique de l'eau varie, avec comme conséquence une augmentation de ses tendances à l'incrustation ou l'agressivité.

Afin d'étudier, et surtout de prévoir le comportement d'une eau donnée, on a introduit la notion théorique du pH d'équilibre ou pH de saturation, appelé pHs, valeur de pH correspondant à un équilibre physico-chimique parfait des bicarbonates de calcium en solution, et donc à la disparition de toute tendance incrustante ou agressive.[14].

Le pHs est généralement déterminé à l'aide de la formule établie par LANGELIER :

pHs = (pK'2 - pK's) + pCa+pAlc

Où : K'2 = Constante dérivée de K2, deuxième constante de dissociation du gaz carbonique

K'S = Constante dérivée de ks, produit d'activité du carbonate de calcium pCa = Cologarithme de la concentration molaire en ion calcium 25

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables pAlc = Cologarithme de l'alcalinité totale (TAC) exprimée en équivalent gramme/litre

Comme on le voit, le calcul du pHs d'une eau dépend de sa teneur en bicarbonates (pAlc), en sels de calcium (pCa) et du paramètre (pK'2 - pK's) qui varie avec la salinité totale, la force ionique et la température.

De nombreux abaques, diagrammes, etc... Ont été déterminés à partir de cette formule, pour permettre un calcul rapide, toutefois, la formule de LANGELIER a été modifiée et simplifiée par LARSON et BUSWELL comme suit :[14].

pHs = 9,3 + A + B - (C + D) où :

A = Facteur de T.D.S (totalité des sels dissous) B = Facteur de température C = facteur de dureté du calcium exprimé en °f D = Facteur d'alcalinité totale TAC exprimé en °f.

Ainsi, directement à partir d'une analyse de l'eau, les tables suivantes permettent le calcul du pH de saturation :

Les caractéristiques du forage Albien Ain El Beida sont les suivants :

Résidu Sec à 105°C : 1736mg/l (1ppm=1mg/l)

TDS = 1533.4 mg/l pH : 7.81 = pH réel; Température : 50.6°C ; la teneur en Ca+2 =146.3mg/l = 36.57°f.

- pH <8.3 ; TA =0 et TAC = HCO3 = 18.25 °f

Tableau 04: valeurs du paramètre A en fonction du TDS[14]

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

Tableau 05 :Valeurs des paramètres B, C et D en fonction de la température, du TH ou de la TAC[14]

D’après le tableau si dessus on obtient les valeurs de A,B,C,D donc on calcule le pHs

pHs = 9,3 + A + B - (C + D) pHs = 6.6

Une fois le pH d'équilibre est calculé, la comparaison entre ce dernier et le pH réel de l'eau permet d'établir un index dit de saturation :

I = pH réel – pHs (Indice de Langelier)

I = 7.81- 6.6 = 1.21

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

Cette différence algébrique permet d'estimer le degré de saturation d'une eau en carbonate de calcium. Ainsi l'index de saturation, ou index de LANGELIER indique :

 S'il est positif, une tendance à la formation de dépôts de CaCO3 (entartrage)

 S'il est négatif, une tendance à la dissolution de CaCO3 (agressivité)

Dans notre cas, I> 0, cela signifie que l’eau du forage Albien d’Ain El Beida a une tendance à la formation de dépôts de CaCO3(entartrage)

Mais cet index ne donne qu'une indication relative et ne permet pas de savoir si le degré de saturation est suffisant pour donner un dépôt appréciable ou former seulement un film de protection. Et afin d'obtenir des indications plus précises et fiables, on utilise de plus en plus une notation différente, appelée index de RYZNAR :

IR = 2 pHs - pH réel (Indice de Ryznar)

Cet index permet non seulement de différencier une eau entartrant d'une eau agressive ou d'une eau stable, mais aussi d'évaluer l'importance de l'entartrage ou de l'agressivité comme le montre le tableau suivant :

Tableau 06 : Agressivité d’une eau en fonction de l’indice de Ryznar [14].

IR = 2 pHs - pH réel

IR = 5.39 Eaux entartrantes (selon le tableau n° 06)

Conclusion : D’après le calcul de l’indice de langelier et de Ryznar,on conclu que l’augmentation de la température et la minéralisation ont une grande influence sur la stabilité des eaux, ce qui entraîne une tendance à l’entartrage.

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III.3.6. L’entartrage est ses conséquences : La température élevée des eaux entraîne des problèmes de tartres au niveau des conduites, (voir fig. 08).

L’eau chaude de la nappe Albienne, sous l’effet de la température dissous les minéraux se trouvant dans les couches géologiques traversées en profondeur. Lorsqu’il ya détente (baisse de pression) ou refroidissent de l’eau les minéraux (sulfates de calcium ou carbonates de calcium) précipitent et forme des dépôts adhérents aux parois.

Les problèmes d’entartrage entraînent l’augmentation de la dépense énergétique ainsi que l’inefficacité des appareils de canalisation de l’eau chaude avec le temps. Sur le plan économique le prix de revient de cette eau est assez élevé.

Figure 8 : Entartrage de canalisation

Pour lutter contre l’entartrage, il existe divers moyens, parmi lesquels, les moyens électromagnétiques, moyens chimiques par utilisation d’inhibiteurs d’entartrage…etc.

III.3.7.Classification de l’eau : L’échantillon d’eau a été prélevé pour analyse physico- chimique, cette analyse de l’eau a été effectuée au laboratoire Chimie des Eaux et Sols de l’Agence Nationale Des Ressources Hydriques Direction Régionale Sud de Ouargla (ANRH) en date du 17/09/2015.au nom du demandeur TASSILI.

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

III.3.7.1Les résultats d’analyses obtenus :

Eléments Normes Normes Albien Ain El Elément en en (mg/l) Algérienne(mg/l) O.M.S(mg/l) Beida(mg/l) (meq/l)

Ca2+ 200 200 146.3 7.31 2+ Mg 150 150 98.6 8.21 Na+ 200 - 255 11.08 K+ 20 - 30.5 0.78 Cl- 500 600 403 11.35 2- SO4 400 400 600 125 - HCO3 - - 222.65 3.65 2- CO3 - - 00 0.001 - NO3 - - 01 0.01

Tableau n°07: les analyses d’eau du forage Albien d’Ain El Beida

III.3.8.Outils d’analyse des données : Pour interpréter les résultats d’analyses, nous avons utilisé les logiciels suivants :

Logiciel d’Hydrochimie d’Avignon (L.H.A.) Nous avons utilisé le logiciel d’hydrochimie d’Avignonqui nous permet de classer les eaux en faciès chimique et en classe d'eau potable et d’irrigation, et de construire en particulier les diagrammes de Piper, de Schoeller-Berkaloff.de stabler…..etc.

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

Représentation de l’interface du logiciel d’hydrochimie a)Diagramme de piper :

Le diagramme de Piper est composé de deux triangles représentant la répartition des anions et celle des cations, respectivement, et d’un losange représentant la répartition synthétique des ions majeurs. Dans ce losange, le pôle haut correspond à 100% de sulfate et chlorure et 100% de calcium et magnésium, le pôle bas représentant 100% de carbonate et bicarbonate et 100% de sodium et potassium.

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

a-1) L’eau du forage Albien d’ Ain El Beida est classée comme suit :

Selon Piper : Chlorurée et sulfatée Calcique et Magnésienne

Chapitre 03 Généralité sur la qualité des eaux potables

b) Diagramme de SchoellerBerkaloff

b-1)L’eau du forage Albien d’ Ain El Beida est classée comme suit :

Selon SchoellerBerkaloff : Sulfatée Sodique.

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d) Diagramme de Stabler :

d-1) L’eau du forage Albien d’ Ain El Beida est classée comme suit :

Selon Stabler :Sulfaté sodique

Conclusion :

D’après les classifications de l’eau du forage Albien d’Ain El Beida, qui sont présentées ci-dessus, nous montrent que cette eau n’est pas douce et présente une minéralisation élevé (surtout les sulfates), ce qui nécessite un traitement spécifique, d’où la proposition d’un refroidisseur comme solution pour la déminéralisation par osmose inverse.

Généralité sur: Le procédé de traitement physique (Lesrefroidisseurs)

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

IV. Tour de refroidissement :

Introduction :

Les tours de refroidissement sont utilisées pour refroidir un liquide ou un gaz à l'aide d'un moyen de refroidissement. Il s'agit d'un cas particulier d'un échangeur de chaleur où le transfert thermique s'effectue par contact direct ou indirect entre les flux. Le moyen de refroidissement de telles installations est le plus souvent l'air ambiant. Les tours de refroidissement sont des équipements courants, présents dans des installations de climatisation, ou dans des procédés industriels et énergétiques.[15].

Dans ce chapitre je vais introduire les différents types des tours de refroidissement ainsi que les modes de transferts, je parle d’abord des modes de transfère de chaleur

IV.1.Modes de transfert de chaleur :

Il y existe trois modes de transfert :

Conduction : l'énergie passe d'un corps à un autre, par contact. Convection : un corps qui se déplace emmène avec lui l'énergie qu'il contient. La quantité d'énergie ainsi transportée peut être importante, notamment dans le cas d'un changement de phase. Rayonnement (radiation) : tous les corps émettent de la lumière, en fonction de leur température, et sont eux-mêmes chauffés par la lumière qu'ils absorbent.

Les deux modes de transfert appliqué dans les tours de refroidissement sont la conduction et la convection :

Pour la tour fermée : un transfert par conduction et convection ; Pour la tour ouverte : un transfert par conduction.[15]. 1) Conduction :

C’est le transfert de chaleur d’un milieu solide à haute température vers un milieu solide à faible température. La chaleur se transmet sans déplacement de matière, par contact moléculaire entre un ou plusieurs corps qui se touchent. Il suffit de chauffer l'extrémité de morceaux de métal pour que la chaleur s'y propage.

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

Transfert de chaleur par conduction

2) Convection :

Transmission de chaleur dans un milieu fluide (liquide ou gaz) par déplacement des particules (molécules ou amas de molécules). Contrairement aux principes de la conduction et du rayonnement, la convection induit un déplacement de la matière. L’échange de chaleur se produit entre un corps liquide ou gazeux en mouvement et un corps solide. Si la convection est naturelle, les parties les plus chaudes du fluide montent et créent des moments de convection dans ce dernier. C’est le principe du radiateur dans une pièce, au contact du radiateur, l’air de la pièce s’échauffe et s’élève.

3) Le rayonnement :

Transmission directe de la chaleur par envoi de radiations d'un corps chaud sur un corps froid. Tous les corps émettent de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques. Lorsque deux corps sont en présence, cette énergie rayonnante devient chaleur : chaque corps absorbe une partie de l'énergie rayonnée par l'autre, une partie est réfléchie et une troisième peut traverser le corps si celui-ci est transparent. Aucun transport de matière n'est nécessaire pour ce transfert d'énergie du corps le plus chaud au plus froid.

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

Conduction, convection et rayonnement

IV.2.Température et chaleur:

IV.2.1.Généralité : QUELLE EST LA DIFFÉRENCE ENTRE CHALEUR ET TEMPÉRATURE ? *La chaleur est un mode de transfert de l’énergie thermique *Une variation de la température d’un corps est l’effet d’un échange de la chaleur. *Lorsque deux corps sont à la même température après un échange de chaleur, on dit qu’ils sont en équilibre thermique.[16].

Donc on peut définir : 1/La température : La température mesure le degré d'agitation des particules (atomes ou molécules), plus les molécules d'un objet sont agitées, plus la température de cet objet est élevée alors que moins elles bougent, plus la température de cet objet est basse. 2/La chaleur : La chaleur est un transfert d'énergie thermique d'un objet à un autre lorsqu’il y a une différence de température entre les deux objets.

Chaleur et température restent liées : un corps à haute température contient plus de chaleur que s’il était à basse température.

La quantité de chaleur contenue dans un corps dépend de la constitution de ce corps : de l’eau, de l’acier, du bois.

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

Les unités de mesure de la température : 1/L’échelle Celsius : La valeur 0 °C correspond à la température de la glace fondante, la valeur 100 °C correspond à la température de l’eau à l’ébullition sous la pression atmosphérique normale. On définit 1 °C comme la subdivision régulière entre ces deux dernières températures de référence

2/L’échelle kelvin : La valeur 0 K est dite zéro absolu : c’est la température où il n’y a plus d’agitation thermique des particules, et on ne peut plus abaisser la température en dessous de cette valeur. La correspondance avec l’échelle Celsius est : T (K) = T (°C) + 273 On en déduit que : - la valeur d’un Kelvin est égale à la valeur d’un degré Celsius. - le zéro absolu correspond à –273 °C

3/L’échelle fahrenheit : La correspondance avec l’échelle Celsius est :T (°F) = 9/5 T(°C) + 32 On en déduit que : - Dans l'échelle Fahrenheit, le point de solidification de l'eau est de 32 degrés et son point d'ébullition est de 212 degrés,

IV.2.2. La quantité de chaleur :

Lachaleur est un mode de transfert d’énergie entre deux systèmes Lors d’un transfert d’énergie entre deux corps, la quantité de chaleur représente la quantité d’énergiethermique transférée. Elle s’exprime en Joules (J). A la température d’équilibre, la quantité de chaleur cédée par le corps chaud est égale à celle reçue parle corps froid.

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

V.2.2.1.Détermination de la quantité de chaleur :

Quelques exemples substances usuelles et leur capacité thermique :

Conclusions : - Le changement d’état d’un corps est un effet de la chaleur. - Un changement d’état libère ou consomme de l’énergie. - Pendant un changement d’état, la température du corps reste constante.

2/Chaleur spécifique massique :

C’est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de (1°C) de la masse d’un corps, C (J/kg/°C)

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

3/Capacité calorifique (thermique) :

La capacité thermique d’un corps est la quantité de chaleur nécessaire pour élever sa température de (1°C) C (J/K)

4/Chaleur latente :

On admettra que la quantité de chaleur (Q) à apporter pour fondre ou vaporiser une masse (m) d’un corps,dépend d’un coefficient lié à la nature de ce corps. Ce coefficient nommé « chaleur latente massique du corps » de valeur différente selon les cas de fusionou vaporisation » se note (L) et s’exprime en Joules par kg (J/kg).

Q = m . L

Q: représente la quantité de chaleur à fournir (en J) m: représente la masse du corps (en kg) L : représente la chaleur latente du corps (en J/kg)

On peut définir deux types de la chaleur latente : a/ chaleur latente de fusion (Lf ):

C’est la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer l’unité de la masse d’un corps à une température constante de l’état solide à l’état liquide (J/kg)

Q = m .Lf, (J/kg) b/ chaleur latente de vaporisation (LV ):

C’est la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer l’unité de masse d’un corps à température constante de l’état liquide à l’état gazeux (J/kg)

Q = m .LV , (J/kg)

5/Chaleur de réaction :

C’est la quantité de chaleur dégager ou absorbée au cours d’une réaction chimique

(J ou cal)

6/Chaleur de combustion :

C’est la quantité de chaleur dégagée par la combustion de l’unité de masse d’un corps

(J ou cal)

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

Exemples de chaleurs latentes selon la nature des corps :

IV.3. Description d’un tour de refroidissement :

IV.3.1.Introduction :

Dans ce chapitre je vais introduire les différents types des tours de refroidissement ainsi que les modes de transferts.

IV.3.2 Historique d’un tour de refroidissement :

Les noms les plus reconnus de l’industrie de refroidissement sont à l’origine de sa création: Balcke, Marley, Ceramic, Recold et Hamon Dry Cooling.

Balcke& Co. a été fondée en Allemagne en 1894 et est devenue le premier fabricant mondial de tours de refroidissement au début des années 1900.

Marley a été fondée aux États-Unis en 1922 en tant qu’équipementier de centrales électriques, avant de devenir The Marley Company en 1926. Recold a été fondée en 1932 à Brea en Californie. Ces entreprises ont inventé et breveté la plupart des innovations et des technologies ayant trait aux tours de refroidissement industrielles utilisées à l’heure actuelle.

Les plus grandes installations de refroidissement au monde :

En 1920 : pulvérisateurs; tour atmosphérique ; En 1930 : tour de refroidissement à tirage naturel hyperbolique en béton ; tour de refroidissement à tirage mécanique avec ventilateur d’extraction ; En 1950 : condenseur à air ; tour de refroidissement avec écoulement inférieur ;

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

En 1960 : conception à flux transversal avec remplissage sous forme de pellicules ; échangeur de chaleur à air ; condenseur à évaporation de 100 tonnes ; En 1970 : Années 1970 : plus grands ventilateurs au monde ; tour de refroidissement à tirage mécanique à ventilateurs multiples ; En 1980 : tour de refroidissement hybride à voie humide-sèche ; tour de refroidissement à voie humide à tirage naturel avec désulfuration des effluents gazeux intégrée ; système de refroidissement à voie sèche indirecte complète ; En 1990 : construction en bois pour tours de refroidissement hybrides multi cellules ; système complet à extrémité froide ; En 2000 : tour thermique à gaz naturel liquide; tour de refroidissement à tirage mécanique circulaire assistée d’un tirage naturel.[15].

IV.3.3. Les différents types des tours de refroidissement : Il existe quatre types de tour de refroidissement : Tour de refroidissement ouvert ; Tour de refroidissement fermé ; Tour de refroidissement avec un condenseur évaporatif ; Tour de refroidissement circuit fermé hybride. On base dans cette mémoire sur les deux premiers tours de refroidissement [15]. a) Tour de refroidissement à circuit ouvert:

. Figure n° 9 : un tour ouvert

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

Dans une tour à circuit ouvert, l'eau provenant de la source de chaleur du procédé est distribuée directement sur la surface de ruissellement et entre en contact avec l'air soufflé au travers de la tour, assurant ainsi le refroidissement par évaporation d'une petite partie de cette eau, grâce à l'échange direct obtenu entre l'eau et l'air. (Fig.9) La tour ouverte est l'équipement évaporatif qui offre les plus grands avantages en matière de rendement, d'encombrement, de coût unitaire et de consommation, présentant également le poids d'installation le plus faible. Dans le cadre de la gestion du risque lié au suivi de la qualité de l'eau, il faudra cependant tenir compte de la totalité du volume du circuit incluant la tour de refroidissement proprement dite et tout le réseau, les échangeurs, les bassins éventuels, et les pompes. Il faut donc gérer souvent des volumes importants et des matériaux constitutifs de natures différentes. Dans ces systèmes, les points chauds tels que l'échangeur de chaleur ou le condenseur sont des sites plus favorables au développement du tartre, de la corrosion ou de la prolifération microbienne. Au vu de leur taille et de leur volume, ces systèmes peuvent parfois être plus difficiles à nettoyer ou à désinfecter en cas d'encrassement ou de pollution.[15].

b) Tour de refroidissement à circuit fermé :

Figure n°10: Tour à circuit fermé

Dans une tour à circuit fermé, le fluide à refroidir circule dans un échangeur tubulaire étanche, lui-même directement arrosé. Le refroidissement est assuré comme dans une tour ouverte, par évaporation d'une partie de l'eau de pulvérisation. En matière de gestion du risque, la

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

tour fermée avec échangeur arrosé offre donc de nombreux avantages. Ce principe permet ainsi de confiner l'eau de pulvérisation à la seule tour de refroidissement. Le circuit primaire est fermé et totalement confiné, sans entrer en contact avec l'air.(fig.10) L'eau de pulvérisation ne peut donc pas être contaminée par les bactéries qui se développent dans les bras morts des tuyauteries ou dans les autres équipements externes au refroidisseur évaporatif (condenseur). De plus, elle se trouve à une température inférieure à celle du procédé. Plus la température d'eau est basse, moins il y a de prolifération bactérienne. Seul le circuit de pulvérisation totalement confiné à la tour de refroidissement doit être traité et géré en terme de qualité d'eau. Ces équipements sont plus favorables au risque d'entartrage ou à la formation de bio film et restent difficiles à inspecter et nettoyer. [15].

IV.3.4.Les principaux composants d’un tour de refroidissement :

Figure n°10 : les principaux composants d’un tour de refroidissement[15].

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

Les principaux composants d’un tour de refroidissement ouvert sont :

IV.5.1.Le corps d’échange ou packing :

Système dans lequel se réalise un transfert thermique entre deux milieux dû à une différence de température entre les milieux. Il est constitué : D'un empilement de parois ondulées ou en nid d’abeille sur lesquelles les gouttelettes d’eau s’écoulent sous forme de film ; D’un empilement de lattes sur lesquelles l’eau s’éclate en gouttes successives.

Les matières plastiques généralement utilisées éliminent le risque de corrosion. Ces corps d’échange sont sensibles à l’encrassement et surtout à l'entartrage. Les figures suivantes illustrent des exemples de corps d’échange utilisés couramment :

Figure n°11 : Corps d’échange avec Figure : Corps d’échange Canaux verticaux [15]. de type gouttes[15]

Pour réduire l’encrassement et l'entartrage des corps d’échange, il est recommandé de veiller à garantir une accessibilité optimale, en vue du nettoyage et détartrage (ce dernier est nécessaire en cas de traitement d'eau non approprié) au minimum une fois par an. Une porte d’accès doit en outre permettre le contrôle visuel de la surface d’échange.

IV.5.2.Le pare-gouttelettes :

Ils sont appelé aussi éliminateur de gouttes, séparateur de gouttelettes ou dévésiculeur. Il est très important pour prévenir le risque d’entraînement de gouttelettes potentiellement infectées par les légionnelles.

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

Les matériaux utilisés pour ce composant sont principalement des matières plastiques. Il est aussi nécessaire de tenir compte de l'accessibilité à ce composant pour faciliter son nettoyage.

Figure n°12 : Exemples de pare-gouttelettes

IV.5.3. Les rampes de dispersion (rampes de pulvérisation) : Ces rampes servent à la dispersion du fluide sous forme de gouttelettes sur le corps d’échange. Il est préférable d’utiliser des systèmes permettant une dispersion à des pressions faibles pour éviter les éclaboussements. Les disperseurs à basse pression (environ 0,5 bar) sont préférés.

Figure n°13 : Système de dispersion du fluide à refroidir[15].

De même que pour les autres composants, les résistances à la corrosion, à l'entartrage et à l’encrassement doivent être prises en compte pour leur sélection. Les disperseurssont généralement en matières plastiques, ce qui élimine le risque de corrosion, mais pas ceux d’encrassement, ni d'entartrage. Ces derniers aspects sont en prendre en compte lors de l'exploitation.

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

IV.5.4. Le bassin de rétention : Il est situé sur la partie basse de la tour afin de récupérer l’eau non évaporée après qu’il passe dans le corps d’échange. Cet élément doit être conçu de façon à être fermé et non poreux, tout en facilitant sa maintenance, en privilégiant les pentes d’écoulement et l’accessibilité. Il doit comprendre un point de vidange situé à son point bas, ainsi qu'une purge de déconcentration. Le remplissage en eau d’appoint y est généralement régulé par uncontrôleur de niveau soit mécanique, soit électronique. Les matériaux utilisés pour les bacs de rétention sont généralement l'acier galvanisé, l'inox, les polyesters et le béton « pour les applications industrielles de puissances thermiques supérieures à 4 MW ».

Figure n°14 : Exemples de bassin de rétention avec point de vidange [15]

IV.5.5. Les ventilateurs : Ces ventilateur assure la circulation de l'air à traversant le corps d'échange, deux types de ventilateurs sont utilisés sur les tours de refroidissement : Les ventilateurs axiaux, Les ventilateurs centrifuges. Les ventilateurs peuvent soit être en accouplement direct avec le moteur qui les entraîne, soit équipés de transmission ; ils exigent dans le second cas une maintenance renforcée. La vitesse des ventilateurs est régulée pour maintenir la température de sortie d'eau souhaitée quelles soient les conditions ambiantes.

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

Figure n°15 : ventilateurs centrifuge et axial [15]

IV.5.6. L'échangeur intermédiaire : Il est disposé entre le circuit d'eau de la tour et le circuit du procédé à refroidir. Celui-ci peut être un échangeur à plaques ou un échangeur tubulaire. Cet échangeur intermédiaire doit résister à la corrosion, l'entartrage et à l'encrassement.

IV.5.7. La pompe de circulation additionnelle : Elle assure la circulation de l’eau de la tour au procédé à refroidir.

les composants d’un tour de refroidissement fermé : Comparativement à une tour ouverte, le principal changement est la suppression du corps d'échange (packing) sur laquelle ruisselait l’eau du procédé à refroidir et son remplacement par un échangeur tubulaire.Cet échangeur tubulaire est généralement en acier galvanisé, parfois en inox. Les aspects encrassement et entartrage sont des points essentiels à prendre en considération au moment de la conception de l'installation et lors de son exploitation.

IV.6.Principe fondamental de tour de refroidissement : L'eau provenant du procédé à refroidir est dispersée en fines gouttelettes par une ou plusieurs rampes de dispersion. L'eau traverse alors de haut en bas une surface d’échange constituée par le packing. Ce packing peut être considéré comme un échangeur air/fluide avec une surface d’échange élevée de par sa constitution. L'eau refroidie est collectée dans un bassin de rétention en bas de la tour avant de retourner vers le procédé à refroidir, directement ou via l'échangeur intermédiaire. L'air est mis en mouvement par un ventilateur (centrifuge ou hélicoïde) ou par tirage naturel. Il y a donc contact direct de l'eau venant du procédé avec l’air extérieur. Ce flux d'air se charge en humidité prélevant de la chaleur à l'eau pour s'évaporer (dite chaleur latente de vaporisation) et peut entraîner des gouttelettes d'eau. Un pare-gouttelettes est

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique disposé au sommet de la tour afin de limiter l’entraînementdes gouttelettes éventuellement contaminées.[15] Les tours décrites sur la figure suivante sont dites à contre-courant, car le flux d’air montant et le ruissellement de l'eau descendant se font à contre sens.

IV.7.Impact sur le risque de prolifération des légionelles : Ces installations de refroidissement équipées de tours ouvertes nécessitent une bonne gestion du risque de prolifération des légionelles pour les raisons suivantes : ¾ volume important du circuit tour à traiter : risque accru de formation de biofilm* et de développement de légionelles dans le circuit d'eau de la tour de refroidissement ouverte. Le poste traitement de l'eau de ces systèmes représente alors un coût élevé. ¾ l'accessibilité difficile au corps d’échange, aux rampes de dispersion, à l'échangeur à plaques le cas échéant, et aux parois des canalisations rend délicat leur nettoyage et détartrage éventuel, un biofilm peut se former à la surface de ces composants et des bactéries peuvent s'y développer entraînant un risque accru de prolifération des légionelles.

(La légionellose et les légionelles La légionellose est une infection bactérienne respiratoire qui peut prendre une forme de pneumopathie sévère, voire mortelle dans 15 à 20% des cas, touchant plus particulièrement les personnes fragilisées. Cette maladie est due à une bactérie de la famille des pneumophila, est majoritairement mise en cause (plus de 90% des cas). Les Legionella sont des bactéries naturelles de l’environnement hydrique (eaux et sols humides) qui, sous certaines conditions, peuvent proliférer dans différentes installations et réseaux d’eau)[17].

.VI.8.Nettoyage de tour de refroidissement : Les réseaux de refroidissement par tours d'eau jouent un rôle important, tant dans les applications manufacturières qu'en climatisation d'espaces. Des problèmes majeurs peuvent apparaitre si l'équipement n'atteint plus la puissance de refroidissement requise. Une diminution de la puissance de refroidissement est généralement causée par des problèmes d'entartrage, d'encrassement ou de limon bactérien. Un entretien préventif annuel est toujours recommandé et comprend habituellement le nettoyage et la désinfection des systèmes, de façon à assurer:

Le fonctionnement normal des tours d'eau.

La fiabilité de l'équipement de réfrigération.

La minimisation des risques reliés à la légionelle.[18].

Chapitre 04 Généralité sur le procédé de traitement thermique

La réduction des phénomènes de corrosion,

La longévité des tours et de l'équipement de réfrigération.

Pour obtenir la plus grande efficacité de ces systèmes, l’installation doit permettre de nettoyer en continu le bassin d’eau froide de la tour en créant une turbulence apte à entrainer les particules vers le filtre.

VI.9. Choix du type de refroidisseur pour la station d'étude: J'ai basé dans ce chapitre de donner des connaissances suffisantes sur les refroidisseurs, qui sont considérés comme solution de traitement thermique, pour abaisser la température de l'eau du forage Albien d'Ain El Beida, ce qui donne une longévité pour le réseau d'AEP , et pour un autre objectif, c'est la déminéralisation par osmose inverse qui nécessite une température basse pour une protection des membranes et pour des raisons économiques. Le choixdes refroidisseurs, ce fait selon des catalogues.

Les techniques de traitement membranaires(osmose inverse) Avec dimensionnement de la STO.

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

V.1. Présentation de la station : La station de déminéralisation (proposée), se trouve dans la ville d’Ain El Beida, l’eau traitée alimente la ville d’Ain El Beida et Chott.

Le principe de la station est basé sur la technique de déminéralisation des eaux par osmose inverse, un procédé de séparation de l’eau des sels dissous au moyen de membranes semi-perméables sous l’action de la pression. (Figure n° 16)

Rejet saumure Figure n°16 : bloc diagramme 52

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

V.2. Description du fonctionnement : Le principe de fonctionnement de la station est basé sur la technique d’osmose inverse, un procédé de séparation de l’eau de ses sels dissous au moyen de membranes semi-perméables sous l’action de la pression. La déminéralisation par cette technique nécessite d’abord un prétraitement très poussé de l’eau brute pour éviter le dépôt de matières en suspension sur les membranes qui conduirait rapidement à une diminution des débits produits.

V.2.1.Pré-traitement :

1. Objectifs

Les objectifs du prétraitement sont les suivants:

- éviter le colmatage des modules par les matières en suspension (MES), soit par les micro- organismes, soit par les dépôts de sels ; - donner à l'eau des caractéristiques qui soient compatibles avec la nature des membranes : teneur en chlore, pH, température. [19].

2. Paramètres

Il n'existe pas de prétraitement standard. Les principaux facteurs qui interviennent dans la définition d'un prétraitement sont : - les caractéristiques physco-chimiques de l'eau à traiter : MES, turbidité, COT (Carbone organique total), hydrocarbures, algues, composition chimique, pH ; - les conditions de fonctionnement des membranes : taux de conversion, pression ; - les types de membranes et de modules utilisées. [19].

3. Etapes du prétraitement

Les principales étapes d'un prétraitement sont les suivants:

1. Chloration 2. Clarification 3. Prévention de l'entartrage 4. Déchloration 5. Filtration sur cartouches 53

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

L'eau passe d'abord par une étape de filtration grossière permettant d'éliminer les gros matériaux susceptibles d'endommager les installations et de diminuer l'efficacité globale du procédé de traitement. [19]

Figure n°17 : Etapes du prétraitement avant osmose inverse (C.TANKASUL, 2009).

1). Chloration

La chloration a pour objectif l'inactivation des micro-organismes (bactéries principalement) mais aussi micro-algues, champignons, qui, outre le fait que certains peuvent être pathogènes, sont à l'origine d'un colmatage important des membranes.

La prolifération des organismes vivants est bloquée par un procédé de désinfection. Sinon, cela peut conduire à l’obstruction des canalisations ou au colmatage des membranes. Le procédé le plus répandu consiste à injecter du chlore, réactif dont le stockage et la manipulation exigent des précautions strictes. Le chlore dissous dans l’eau libère l’ion hypochloreux (HClO−), qui est l’agent actif de la stérilisation. Pour éliminer le danger lié au chlore, on peut lui substituer l’hypochlorite de sodium (eau de Javel). [19].

2). Clarification de l'eau brute

Une étape de CFS (Coagulation Floculation Sédimentation) est nécessaire afin d'éliminer les matières en suspension et une partie du COT (Carbonne Organique Total):

 Coagulation

La coagulation a pour objectif de neutraliser les colloïdes, en général chargés négativement, par des composés de deux métaux lourds Al3+ et Fe3+:

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

- chlorure ferrique FeCl3

- sulfate ferrique Fe(SO4)3

- sulfate d'aluminium Al2(SO4)3,14 H2O

 Floculation

Elle consiste à agglomérer sous forme de flocs les particules colloïdales neutralisées auparavant par coagulation. Les membranes s'osmose inverse étant chargé négativement, il est recommandé d'utiliser des floculants anioniques ou non ioniques.

 Sédimentation

La sédimentation ou décantation est peu utilisée en prétraitement avant osmose inverse.

 Filtration sur sable :

L’eau brute provenant du forage Albien 04 filtres à sables constitués d’une virole cylindrique horizontale en tôle d’acier soudé, fermée par deux fonds bombés.

La filtration sur sable accueille les matières en suspensions,elle peut être effectuée sous pression ou de façon gravitaire. La filtration sous pression est utilisée en général pour les débits faibles et moyens (les vitesses de filtration sont d'environ 10 à 15 km/h) alors que la filtration gravitaire est utilisée pour les débits plus élevés (les vitesses de filtration sont d'environ 5 à 8 km/h). La masse filtrante peut être monocouche ou bicouche:

- le filtre monocouche est constitué par une hauteur de sable de granulométrie comprise entre 0,4 et 1 mm sur une hauteur de 1 m.

- le filtre bicouche est constitué par une couche de 0,7 m de sable surmontée d'une couche de 0,3 m d'anthracite[19].

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

3). Prévention de l'entartrage

L'entartrage des équipements doit être évité. La méthode la plus utilisée pour éviter le tartre

(CaCO3, CaCO4, 2 H2O...) dans les modules d'osmose inverse consiste à injecter dans l'eau brute des inhibiteurs d'entartage ou antitartres (antiscalants).

L'acidification de l'eau brute, en provoquant la décomposition des bicarbonates, est aussi un moyen efficace de prévenir les dépôts de CaCO3:

+ - H + HCO3 = CO2 + H2O [19].

Pour obtenir une bonne coagulation possible, le PH doit être ajusté entre 6.5 et 6.8 et pour cela on utilise l’acide sulfurique comme injection en amont des filtres à sable [20].

4). Déchloration

Compte tenu de la sensibilité des membranes d'osmose inverse en polyamide (membranes les plus utilisés actuellement), il est indispensable d'assurer une déchloration de l'eau de mer en amont de l’osmose proprement dite. Du bisulfite de sodium est ajouté afin de réduire le chlore:

NaHSO3 + Cl2+H2O = NaHSO4 + 2HCl

C'est la solution la plus utilisée car elle est efficace et d'un coût relativement faible.

Un produit équivalent conviendra du moment que l’eau contient moins de 0,1 mg/L de chlore libre à l’arrivée sur la membrane notamment l'utilisation de charbon actif en poudre ou en grain[19].

C + 2 Cl2 = 4 HCl + CO2

5). Filtration de sécurité sur cartouches

Dans tous les cas, une installation d'osmose inverse doit être protégé par une filtration de sécurité sur cartouches aux environ de 5 µm,(retenir les particules de taille de l’ordre de 5micron qui n’ont pas été retenues par le filtre à sable), aussi un contrôle de PH, de température, et oxydants en aval des filtres à cartouches, si les valeurs limites sont dépassées, l’alimentation des membranes d’osmose inverse est automatiquement fermée et la station se met à l’arrêt [20].

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

V.2.2. Schéma de fonctionnement de la membrane :

1- Entrée d’eau 2- Sortie de concentrat 3- Sortie de perméat 4- Sens d’écoulement de l’eau brute 5- Sens d’écoulement du perméat 6- Matériau de protection 7- Joint d’étanchéité entre module et enveloppe 8- Perforations collectant le perméat 9- Espaceur 10- Membrane 11- Collecteur de perméat

Figure n°18 : Structure interne d’une membrane à spirale (d’après Degrémont-1989)

L’écoulement s’effectue en continu tangentiellement à la membrane. Une partie de la solution à traiter (débit Q0) se divise au niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes :

 Une partie (débit Qp)passe à travers la membrane (perméat).  Une partie qui ne passe pas à travers la membrane (concentrat ou rétentat) et qui contient les molécules ou particules retenues par la membrane.

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

V.2.3. Post-traitement :

L’eau osmosée se déverse dans une première bâche servant de service à faible salinité et non chlorée destinée à la préparation des réactifs et au rinçage des liges d’osmose. Par trop plein, cette première bâche alimente une seconde chambre où arrive l’eau filtrée by-passée et où sont injectés la chaux et le chlore pour la désinfection totale. Le PH de l’eau osmosée est environ de 5.9. Après mélange avec l’eau filtrée et l’injection du lait de chaux, les valeurs du PH remontent jusqu'à une valeur de 7,1[20].

V2.4. La nanofiltration : L'osmose inverse n'est pas la seule technologie possible pour réaliser le dessalement de l'eau de mer. La nanofiltration est un procédé en voie de développement en ce qui concerne la potabilsation d'une eau chargée en sels. En effet, ce procédé présente l'avantage de laisser passer les ions monovalents, mais de retenir les ions divalents ce qui aura pour résultat un perméat concentré en ions monovalents et un rétentat chargé en ions divalents. Cela présente un intérêt dans le sens où l'on va pouvoir faire précipiter plus facilement des sels pour les revendre ensuite. Cette technique se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle permet la séparation de composants ayant une taille en solution voisine de celle du nanomètre, d’où son nom. Les sels ionisés monovalents et les composés organiques non ionisés de masse molaire inférieure à environ 200 - 250 g/mol ne sont pas retenus par ce type de membrane. Les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, aluminium, sulfates…) et les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ 250 g/mol sont, par contre, fortement retenus (Alain MAUREL – 1993).[21].

V.3. Introduction sur le dessalement

V.3.1 Introduction sur le dessalement

Le dessalement est un procédé de déminéralisation. Il a pour but l’obtention d’eau de salinité voisine de celle des eaux douces naturelles à partir d’eau de mer ou d’eau saumâtre (GERMAIN, COLAS, ROUQUET, 1997).[22].

V.3.2. Les principales technologies de dessalement des eaux : Les technologies actuelles de dessalement des eaux sont classées en deux catégories, selon le principe appliqué : 58

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

a- Les procédés utilisant des membranes :

- L’osmose inverse et l’électrodialyse b- Les procédés thermiques faisant intervenir un changement de phases :

- La congélation et la distillation.

Les différents procédés peuvent être classés selon le principe sur lequel ils se basent comme présenté dans le schéma suivant : [22].

Figure n°19 : Les différents procédés de dessalement

Parmi les procédés précités, la distillation et l’osmose inverse sont des technologies dont les performances ont été prouvées pour le dessalement d’eau de mer ou l’eau saumâtre. En effet, ces deux procédés sont les plus commercialisés dans le marché mondial du dessalement. Les autres techniques n’ont pas connu un essor important dans le domaine à cause de problèmes liés généralement à la consommation d’énergie [20].

Quel que soit le procédé de séparation du sel, toutes les installations de dessalement comportent 4 étapes : * une prise d’eau de mer avec une pompe et une filtration grossière, * un pré-traitement avec une filtration plus fine, l’addition de composés biocides et de produits anti-tartres.

* le procédé de dessalement lui-même, * le poste traitement avec une éventuelle reminéralisation de l’eau produite.

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

A l’issue de ces 4 étapes, l’eau de mer ou saumâtre est rendue potable ou utilisable industriellement, elle doit alors contenir moins de 0.5 g/l par litre.

V.4.Procédé à membranes

V.4.1. L’Osmose inverse : L’osmose inverse est un procédé de séparation de l’eau et des sels dissous au moyen de membranes semi-perméables sous l’action de la pression (54 à 80 bars pour le traitement de l’eau de mer). Ce procédé fonctionne à la température ambiante et n’implique pas de changement de phase. Les membranes polymères utilisées laissent passer les molécules d’eau et ne laissent pas passer les particules, les sels dissous, les molécules organiques de 10-7 mm de taille [20].

V.4.2. Principe de l’osmose inverse : On appelle osmose le transfère de solvant (eau dans la plupart des cas) à traversune membrane semi-perméable sous l’action d’un gradient de concentration.

Figure n° 20 : principe de l’osmose et de l’osmose inverse

Soit un système à deux compartiments séparés par une membrane semi perméable et contenant deux solutions de concentrations différentes(Fig.20). Le phénomène d’osmose va se traduire par un écoulement d’eau dirigé de la solution diluée vers la solution concentrée. Si l’on essaie d’empêcher ce flux d’eau en appliquant une pression sur la solution concentrée, la quantité d’eau 60

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement transférée par osmose va diminuer. Il arrivera un moment où la pression appliquée sera telle que le flux d’eau s’annulera. Si, pour simplifier, nous supposons que la solution dilué est de l’eau pure, cette pression d’équilibre est appelée pression osmotique[19].

Une augmentation de la pression au-delà de la pression osmotique va se traduire par un flux d’eau dirigé en sens inverse du flux osmotique (voir figure n°20), c’est-à-dire de la solution concentrée vers la solution diluée : c’est le phénomène d’osmose inverse. [19].

V.4.3. Schéma général d'une installation d'osmose inverse :

Les principaux constituants d'une installation d'osmose inverse sont les suivants : - membrane proprement dite - le module - la pompe haute pression - le poste de traitement

L'écoulement du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces (particules, molécules, ions) retenues par cette dernière. Le débit d’entrée (Q0) se divise au niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes. Une partie (débit Qp) passe à travers la membrane (perméat) alors que l'autre partie est retenue par la membrane ( concentrat ou rétentat).

Figure n°21 : Schéma de principe d'une unité d'osmose inverse (A.Maurel, 2006)

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

V.4.4. Pression osmotique :

Loi de Van'tHoff[23]

Pour des solutions suffisamment diluées, la pression osmotique π peut être assimilée à pression d'un gaz parfait dont les "molécules" seraient précisément les espèces en solution (ions Na+ et Cl-) :

i : nombre d'ions C : concentration (mol/L) R : constante des gaz parfaits (0,081 L.atm/K/mol) T : température en K 1atm = 1,013 bars

V.4.5. Caractéristiques principales d'une unité d'osmose inverse : Deux paramètres sont pris en compte: - le taux de conversion c'est-à-dire la fraction du débit de liquide qui traverse la membrane,

- la sélectivité de la membrane définie par le taux de rejet R ( ou taux de rétention) de l'espèce que la membrane peut retenir.

V.4.5. Modules d'osmose inverse :

Pour être mise en œuvre, les membranes doivent être montées dans des supports appelés modules. Actuellement, quatre types de modules sont commercialisés : modules tubulaires, modules fibres creuses, modules plans et modules spirales. Plusieurs critères sont à prendre en compte pour le choix d'un type de module tels que:

• les conditions de transfert optimal • la surface spécifique d’échange élevée • l'investissement minimal et le coût de fabrication

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

• la simplicité de mise en œuvre et la durée de vie des membranes • l'entretien aisé (nettoyage, démontage, remplacement des membranes)[24].

V.5. Dimensionnement de la station de demineralization d’Ain El Beida :

Avant de passer au dimensionnement de la station de déminéralisation, on doit determiner l’indice de stabilité, qui est necéssaires pour une installation d’osmose inverse, pour savoir,s’il s’agit d’une eau aggressive ouentartrante. précise), cesdeux indices sont déjà determiner dans la partiethéorique.

- Indices de LANGELIERI = pH réel – pHs (Indice de Langelier)

I = 7.81- 6.6 = 1.21 > 0 Eau entartrante

- Indice deRyznar (nous donne une valeur plus précise): IR = 2 pHs - pH réel

IR = 5.39 Eaux entartrantes (tab.5- CH 3)

Dans notre cas,I> 0, cela signifie que l’eau du forage Albien d’Ain El Beida a une tendance à

la formation de dépôts de CaCO3(entartrage),d’où la nécessité d’utiliser l’antitartre pour protéger les membranes contre le colmatage.

V.5.1. Dimensionnement du filtre à sable rapide : Le filtre à sable se compose de trois parties:

* Le fond de filtre qui sert à collecter et évacuer les eaux filtrées et à distribuer uniformément l'eau de lavage. * Couche de charbon actif existe au dessous du sable. * Couche de sable de granulométrie 0.4 à 0.8mm * Couche de gravier de granulométrie de 3 à 5mm, elleexisteen haut du filtre. On peut déterminer les dimensions de filtre à sable en function des données suivantes débit de l’eau à traiter « QS » = 13824 m3/j Porosité du sable « ξ » Diamètre desparticules « dPS » La vitesse de passage de l’eau à travers le filtre « VF » La viscosité dynamique du fluide « μ » La hauteur totale de filtre « H » Pour avoir un bon rendement de filtration, on prévoit généralement de point de vue hauteur 1/3 de sable et 2/3 de gravier, la vitesse de passage doit être choisie à condition que la perte de charge dans le filter soit faible

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

ΔP/L = K ×μ ×VF / ξ [(1- ξ) 6/dPS× ξ] 2 Avec : ΔP/L :Perte de charge. K : Constant de KOSENY CARMEN. μ :Viscositédynamique de l’eau de (la villed’Ain El Beida). VF :Vitesse de passage de l’eauchoisie. dPS :Diamètre.

a) Calcul de la surface du filtre à sable : On peut déterminer la surface de filtre à sable rapide par la relation suivante :

  Qs /VF Avec : Ω : surface du filtre QS :débit de l’eautraitée VF : La vitesse de passage d’eau à travers le filtre NN :nombre des filters normalisés QT (GPM) :débit global QI (GPM) :débitunitaire QI (GPM) N :debit unitaire normalisé QT (GPM) N :debit globale normalisé ∆P (m) : la chute de la pression au niveau de filtre Pour déterminer le diamètre de filtre à sable on peut utiliser la formule suivante: b) Cacul du diamètre du fitre à sable:

D  4/  Avec : Ω : surface du filtre D :diamètre du filtre à sable

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

Tableau n°8 : Les types de filtres à sable

1er cas :

On traite le débit total qui arrive au complexe hydraulique ; dans ce cas on utilisera quatre(04) filtres à sable type UTILTY- MID -53

- pour un débit unitaire de l'ordre de 633.48 GPM (40 l/s) - perte de charge ∆P= 19 m

Au niveau de la station, on utilisera quatre filtres à sable.

V.5.2. Dimensionnement du filtre à cartouche :

Les filtres à cartouche sont installés pour éviter l'encrassement rapide des membranes de lastation de déminéralisation des eaux.

On peut déterminer les dimensions du filtre à cartouche à partir des données suivantes

 Longueur « L »

 Surface effective de filtration « S »

 la vitesse effective de filtration « V »

 perte de charge unitaire « ΔPi »

Type des filtres Débit de filtre La longueur 6 EFC 60 GPM 10 inchs 12 EFC 120 GPM 20 inchs

18 EFC 180 GPM 30 inchs 24 EFC 240 GPM 40 inchs

Tableau N°9 :Les types de filtres à cartouche

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

V.5.2.1. Calcul du débit de filtre à cartouche :

Pour déterminer le débit par filtre à cartouche on utilise la formule suivante

Q c = S × V

Avec :

Q c : débit du filtre

S : Surface effective de filtration

V : vitesse effective de filtration

Qc = 880GPM; selon le catalogue, on utilise 04 filtres à cartouche de type 24 EFC.

1m3/j=264.2GPM gallon par day

V.5.3. Dimensionnement des modules d'osmose inverse :

Pour réaliser le dimensionnement de nos modules d'osmose inverse, nous avons réalisé un calculateur sous forme d'une feuille Excel qui est en fichier attaché à cette page.

Tout d'abord, il est nécessaire de connaître les critères suivants :

Les deux principaux critères à prendre en compte sont :

La salinité en sortie et la production journalière

 L'Organisation Mondiale de la Santé a fixé la salinité de l'eau potable à une valeur inférieure à 250 mg/L

 Le débit d'eau de sortie nécessaire à alimenter la ville d’Ain el beida est de 160l/s (13824m3/j)

Observation :

Il faut faire une attention pour les calculs dedimensionnement, qui sont faites avec un débit de 40l/s (3456 m3/j), c’est àdire la chaine d’osmose inverse est considérée comme une seule ligne, donc on aura 04 lignes de la chaine de dimensionnement. On va introduire un nouveau système de dessalement avec l’osmose inverse. C’est la nanofiltration.

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

Le dimensionnement de l’osmose inverse est basé sur les paramètres suivants :

 La fraction de débit qui traverse la membrane est le taux de conversion Y défini par:

D’où : Qp : débit de production Qo : débit à traité.  La sélectivité d'une membrane est définie par le taux de rejet R (ou taux de rétention) de l'espèce que la membrane est censée retenir:

 La pression osmotique d’une solution est proportionnelle à la concentration en solutés :

Π = i.C.R.T

Avec : Π : Pression osmotique (bar) i : Nombre d’ions dissociés dans le cas d’un électrolyte C : Concentration molaire (mol.L-1) R : Constante des gaz parfaits (0,082 L.bar.mol-1K-1) T : Température absolue (K)

 Pour atteindre nos objectifs, nous avons choisi de travailler avec un couplage de membranes d'osmose inverse et de nanofiltration. Nous avons étudié 4 scénarios différents d'agencement possible de ces membranes. Les uniques paramètres que nous avons fait varier sont le taux de conversion par membrane et les taux de rétention des ions par les membranes.

Chapitre 05 Les techniques de traitement membranaire et dimensionnement

Pour dimensionner les surfaces membranaires, on utilise l'équation suivante :

Avec :

 Q : débit d'alimentation (m3/j)  S : surface membranaire (m²)  DP : pression du courant d'alimentation (Bar)  DPi : différentiel de pression osmotique (Bar) 3 -2 -1 -1  Lp : perméabilité (m .m .j .bar )

Scénario 1 ions taux de rétention (%) Na 10 constituants concentration (g/L) Cl 10

Mg 99 Chlore 0,403 module taux de conversion Sulfate 0,6 NF 0,5 K 10 Bicarbonate 0,222 RO 1 0,7 Ca 75 Carbonate 0 RO 2 0,4 SO4 80

Sodium 0,255 B

Magnesium 0,0986 Br

Calcium 0,1463 Fer 0 RO 1 TDS 1,7249 RO 2

ions taux de rétention (%) ions taux de rétention (%) Carbone Organique Total 0 Na 95 Brome 0 Na 60 Cl 95 Potassium 0,031 Cl 60 Mg 99 Bore 0 Mg 80 K 95 Cuivre 0 K 60 Ca 99 Zinc 0 Ca 80 SO4 99 SO4 80 Silice 0 B B Fluor Br Ammoniac Br

Nitrate Les taux de conversion sont choisis en fonction de caractéristiques des courants

1- La nanofiltration a 50% de taux de conversion car le courant est chargé en sels, et la pression osmotique est très forte. 2- Les 70% de conversion de la RO 2 se justifient par le fait que l’on traite un perméat donc peu concentré. 3- L’osmose inverse traite les 2 rétentats donc on prend une valeur faible de taux de conversion.

Dans ce premier scénario que nous avons proposé, nous débutons le traitement par une nanofiltration qui va être suivi par deux autres étages de séparation membranaires :

Après la nanofiltration , le perméat est traité par une osmose inverse, alors que le rétentat est mélangé avec le rétentat de la première osmose inverse (RO 1) et traité par une osmose inverse (RO 2). Enfin les deux perméats de la première et deuxième osmose inverse sont mélangés puis nous donne le débit de production (P9).et le débit rejeté qui représenté par(R8).

A l'identique les taux de rétentions que l'on a choisis sont déterminés en fonction de la salinité des courants.

Voici les résultats que donne cette première simulation

courants conc (mg/L) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Na 255 229,5 280,5 11,475 738,225 386,128846 154,451538 540,580385 72,4158197 Cl 403 362,7 443,3 18,135 1166,685 610,235 244,094 854,329 114,445393 Mg 98,6 0,986 196,214 0,00986 3,26366 151,686998 30,3373997 232,586731 12,9363523 K 30,5 27,45 33,55 1,3725 88,2975 46,1840385 18,4736154 64,6576538 8,6615 Ca 146,3 36,575 256,025 0,36575 121,06325 224,879981 44,9759962 344,815971 19,3799533 SO4 600 120 1080 1,2 397,2 922,430769 184,486154 1414,39385 79,3219672 B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Br 0 0 0 0 0 0 0 0 0 debit (L/s) 40 20 20 14 6 26 10,4 15,6 24,4 TDS (mg/L) 1533,4 777,211 2289,589 32,55811 2514,73441 2341,54563 676,818704 3451,36359 307,160986

alim Modules NF RO 1 RO 2 salinité (mg/L) 307,16 perméat Δπ (Bar) 0,7 1,1 1,9 rendement 0,61 rétentat

perméabilité Modules NF 0 RO 1 RO 2 total nano 55 L.m -2.h-1.bar-1 Δπ (Bar) 0,7 1,1 1,9 RO 10 L.m-2.h-1.bar-1

S (m²) 193,8016635 122,224005 119,839728 435,865396 nb d'unité 6 4 4 14 nano 1,32 m 3.m-2.j-1.bar-1 3 -2 -1 -1 RO 0,24 m .m .j .bar

On trouve une surface membranaire de 435.8653 m² ce qui correspond à 14 modules membranaires soit :

6 membranes de nanofiltration 4 membranes pour le module RO 1 4 membranes pour le module RO 2

14 modules dans chaque ligne, On obtient en total 56 modules membranaires soit :

24 membranes de nanofiltration 16 membranes pour le module RO 1 16 membranes pour le module RO 2

Scénario 2

Alim

courants conc (mg/L) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Na 255 6950 24325 347,5 22355,8333 23713,8793 11856,9397 35570,819 5048,53873 75,728081 24939,7813 Cl 403 12150 42525 607,5 39082,5 41456,6379 20728,319 62184,9569 8825,86268 132,38794 43599,7616 Mg 98,6 468 3198 4,68 1549,08 2686,26621 805,879862 4566,65255 331,930648 3,31930648 1646,37601 K 30,5 250 875 12,5 804,166667 853,017241 426,508621 1279,52586 181,602113 3,63204225 893,482394 Ca 146,3 180 1230 1,8 595,8 1033,17931 309,953793 1756,40483 127,665634 1,27665634 633,221544 SO4 600 1026 7011 10,26 3396,06 5889,12207 1766,73662 10011,5075 727,694113 7,27694113 3609,3628 B Br debit (m3/j) 3456 2073,6 1382,4 2419,2 1036,8 2419,2 1728 1728 4147,2 2764,8 691,2 TDS (mg/L) 1533,4 21024 79312,75 1005,49 67875,5233 75763,2659 35959,9194 115566,612 15282,6513 243,299665 75440,0579

Les taux de convection sont choisis en fonction de caractéristiques des courants :

1- La première osmose inverse à 60% de taux de convection car le courant est chargé en sels, et la pression osmotique est très forte. 2- Les 70% de conversion de la RO2 se justifient par le fait que l’on traite un perméat donc peu concentré. 3- La nanofiltration traite les 2 rétentats donc on prend une valeur faible de taux de convection. 4- La RO3 a un taux de conversion de 80% (ce qui est surestimé) car on traite un mélange de deux perméats.

Modules RO 1 RO 2 NF RO3 salinité (mg/L) 243,299665

Δπ (Bar) 36,3 32,3 61,9 24,3 rendement 0,568

Scénario 3

courants conc (mg/L) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Na 255 229,5 293,25 11,475 883,575 454,248 181,69909 635,9468 135,63555 2,983982 533,5903 0,11475 45,5558 1,33394 Cl 403 362,7 463,45 18,135 1396,395 717,89 287,15582 1005,045 214,54144 4,719912 844,006 0,18135 71,996 2,10988 Mg 98,6 0,986 245,021 0,00986 3,91442 179,265 35,852932 274,8725 23,735585 0,237356 94,23027 9,86E-05 0,03914 0,10091 K 30,5 27,45 35,075 1,3725 105,6825 54,3316 21,732636 76,06423 16,237008 0,81185 62,51248 0,013725 5,44883 0,35286 Ca 146,3 36,575 310,8875 0,36575 145,2028 265,701 53,14015 407,4078 35,6554 0,356554 141,5519 0,003658 1,45203 0,15361 SO4 600 120 1320 1,2 476,4 1089,93 217,98545 1671,222 145,85504 1,45855 579,0445 0,012 4,764 0,62667 B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Br 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 debit (m3/j) 3456 2073,6 1382,4 1555,2 518,4 1900,8 760,32 1140,48 1149,12 861,84 287,28 1166,4 388,8 2028,24 TDS (mg/L) 1533,4 777,211 2667,684 32,55811 3011,17 2761,36 797,56608 4070,559 571,66003 10,5682 2254,935 0,325581 129,256 4,67788

Modules NF RO 1 RO 2 RO 3 RO 4 total

salinité (mg/L) 4,67787797 Δπ (Bar) 0,7 1,1 2,2 0,8 0,1 S (m²) 35,23666608 146,668806 101,844709 122,03154 144,167682 549,949403 rendement 0,586875 nb d'unité 1 4 3 4 4 16

Scénario 4

courants conc (mg/L) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Na 255 229,5 331,5 114,75 573,75 140,18829 1,401883 695,33392 353,26293 211,9577586 525,96925 401,625 831,9375 Cl 403 362,7 523,9 181,35 906,75 221,55247 2,215525 1098,9003 558,29397 334,9763793 831,23768 634,725 1314,7875 Mg 98,6 24,65 320,45 7,395 76,415 23,368382 0,233684 115,90717 228,1145 68,43435 423,27913 22,9245 156,65075 K 30,5 27,45 39,65 13,725 68,625 16,767619 0,167676 83,16739 42,253017 25,35181034 62,910048 48,0375 99,50625 Ca 146,3 36,575 475,475 10,9725 113,3825 34,67337 0,346734 171,97992 338,47009 101,5410284 628,05006 34,01475 232,43413 SO4 600 120 2040 36 372 139,7494 1,397494 693,15703 1441,531 432,4593103 2674,8409 111,6 762,6 B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Br 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 debit (m3/j) 3456 2592 864 1944 648 2633,04 2106,432 526,608 1252,8 689,04 563,76 388,8 259,2 TDS (mg/L) 1533,4 800,875 3730,975 364,1925 2110,9225 576,29954 5,762995 2858,4457 2961,9255 1174,720637 5146,2871 1252,927 3397,9161

Modules NF 0 RO 1 RO 2 NF 3 NF 4 total

Δπ (Bar) 0,6 0,6 0,8 1,8 1,1 S (m²) 37,75260436 274,306029 248,140648 7,76464347 19,415999 587,379924 nb d'unité 2 8 7 1 1 19 salinité en sortie (mg/L) 5,76299535 rendement 0,6095

Conclusion :

D’après les 04 scénarios, présentés ci-dessus, on observe que, La salinité de scénario 1( 307.16 mg/l) réponds à la norme limite fixée par l'OMS de 250 mg/L.en tenant compte de la reminéralisation, cette valeur est plus proche a celle adapté par les analysesde traitement de la station de déminéralisation BenAmor-Frères.(voir annexe). De même le rendement de 61 % est acceptable.

Conclusion : Quel que soit le procédéutilisé, iln’est pas sans inconvénients:

Le principal inconvénientestdoncl’impact des saumures sur l’environnement, surtout dans le cas de l’osmose inverse où les rejetssont plus concentrés. Si la station estsituéeenbord demer, on utilisera des diffuseurs pour diluer le concentrât le plus loin possibles des côtes.

Boire de l’eau du robinetnon filtréeestdangereux pour la santé du fait que l’ontrouvenotamment des parasites, du chlore, du fluor, des métauxlourds, et biend’autresproduitsnéfastes. Néanmoins, boire de l’eaufiltrée par osmose inverse quotidiennementpeutégalements’avérerdangereux.

L'eautraitée par osmose inverse libère les minérauxdissous, celaveut dire que l’eauestdistillée et de cefait elle a la paret de les éliminer. Si l’oncherche à détoxifierl’organisme, cette eau est tout à fait efficace... cependantilfaudrait ne le faire que durantquelquessemainesseulement. Eneffet, uneconsommationd’eaudistillée à long termepeutdevenirdangereuxen raison d’uneperterapide de sodium, potassium, et d’autres oligo- élémentscomme le magnésium, dont la déficienceprovoque, entre autres des problèmescardiaques. De même, la cuisson des aliments dans de l’eaudistillée (filtrée par osmose inverse) réduitleurvaleur nutritive du fait qu’elleen retire les minéraux.

L’eaudistillée (filtrée par osmose inverse) estune eau trèsacide. Ainsi, unepersonne qui boit de l’eauacideaugmentel’acidité de son corps. L’eau qui estexempte de minérauxesttrèsagressive car elledissout des nombreuses substances importantes pour l’organismetel que le calcium, le magnésium et d’autres oligo-éléments. Lorsquel’onboit de l’eau sans minérauxaccroîtfortement le risque de développer des maladies commel’ostéoporose, l’arthroseou encore l’hypothyroïdie, de même que des maladies coronariennesou des maladies associés au vieillissementprématuré. Ilfaut savoir que le vieillissementprématuréestdirectementlié à l’accumulation de déchetsacidesdans le corps. Par ailleurs, consommerune eau trop chargéeenminérauxestégalementnocif pour la santé car le corps doittravaillerdoublement pour éliminerl’excès des minéraux.

Il estdonc preferable de reminéraliserl’eauavant la boire pour cette raison, les station de demineralisation mélange unequantitéd’eauobtenue du prétraitement avec l’eauosmosé, pour le rendredans les normes.

Bibliographie

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Résumé

En raison de l’évaporation des eaux de surface, il en résulte une augmentation de la demande en eau souterraine. Toutefois, les eaux du continental intercalaire (Albien) présentent une température élevée, la rend difficilement utilisable pour la consommation humaine, ainsi que l’étude des paramètres physico-chimiquede l’eau du forage Albien d’Ain El Beida révèle en générale une minéralisation élevée, d'où vient la proposition d’un refroidisseur comme solution pour la déminéralisation des eaux par osmose inverseet rendre l’eau douce. C’est l’objectif de cette mémoire.

Mots clé: les eaux Albien, refroidisseur, déminéralisation, osmose inverse, Ain El Beida.

ملخص:

بسبب التبخر الذي يحدث على المياه السطحية،يزداد الطلب او التنقيب على المياه الجوفية، ان مياه الطبقات الجوفية )االلبيان( تتميز بدرجة حرارة عالية مما يجعل استغاللها للشرب يسبب صعوبة لالنسان. باالضافة للخواص الفيزيائية والكيميائية لمياه البئرااللبياني لبلدية عين البيضاء والمتميز بملوحة عالية، ومنه جاء االقتراح بانشاء محطة تبريد الماء مرفوقة بمحطة معالجة المياه )التناطح العكسي(، للتخفيض من

الملوحة الزائدة وجعل الماء عدب.وهذا هو هدف المذكرة.