L'eau est source de vie et la qualité de l'eau potable a un impact direct sur la santé publique et la stabilité sociale. Les usines de traitement de l’eau, en tant que plaque tournante reliant l’eau brute et les utilisateurs, sont essentielles à un fonctionnement stable et à un contrôle précis. En hiver, les stations d’épuration utilisant des réservoirs comme source sont souvent confrontées à des valeurs de pH anormalement élevées dans leur eau brute. Cela affecte non seulement la stabilité du processus de traitement de l’eau, mais pose également des défis en termes de stabilité chimique et d’indicateurs sensoriels de l’effluent. Les changements de pH affectent directement l’efficacité des unités de traitement de base telles que la coagulation et la désinfection, et peuvent provoquer des problèmes de corrosion ou de tartre dans le réseau de transport d’eau. Par conséquent, une analyse approfondie des causes sous-jacentes de l’augmentation du pH dans les réservoirs pendant l’hiver et le développement de stratégies scientifiques et efficaces d’ajustement des processus en conséquence sont essentielles pour garantir la sécurité de l’approvisionnement en eau et améliorer le fonctionnement et la gestion raffinés des usines de traitement de l’eau. Ce rapport développera systématiquement cette question.
I. Analyse des causes spécifiques
L’augmentation du pH des réservoirs en hiver est un phénomène complexe résultant des effets combinés de plusieurs facteurs. Les principales causes peuvent être résumées comme suit :
1. Changements saisonniers dans l’activité biochimique aquatique (cause profonde)
1.1 Activité réduite des algues : En été, les températures élevées de l'eau et la forte lumière du soleil entraînent une augmentation de la croissance des algues et une photosynthèse vigoureuse, consommant du dioxyde de carbone (CO₂) et produisant de l'oxygène. Le processus chimique est le suivant : CO₂ + H₂O + Lumière → (CH₂O)ₙ (matière organique) + O₂. Ce processus consomme une grande quantité de CO₂ libre dans l'eau, déplaçant l'équilibre chimique CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ vers la gauche, entraînant une diminution de la concentration en H⁺ et une augmentation significative du pH.
1.2 Inversion hivernale : En hiver, la température de l’eau diminue et la lumière du soleil s’affaiblit, provoquant une forte baisse, voire l’arrêt de la photosynthèse des algues. Simultanément, la respiration dans l’eau (y compris celle des micro-organismes et des poissons) augmente relativement, consommant de l’oxygène et produisant du CO₂. L'accumulation de CO₂ déplace l'équilibre chimique vers la droite, augmentant la concentration de H⁺ et abaissant théoriquement le pH. Toutefois, la situation est plus complexe dans les réservoirs profonds.
2. Stratification et inversion de la température de l’eau (raisons de couplage physicochimique)
2.1 Stratification estivale : En été, les réservoirs subissent une stratification de la température de l'eau. L'eau de surface (épilimnion) est chaude, avec des algues actives ; les eaux profondes (hypolimnion) sont froides et déficientes en oxygène-, où la matière organique se décompose dans des conditions anaérobies, produisant des substances alcalines telles que l'azote ammoniacal (NH₃) et le sulfure d'hydrogène (H₂S).
2.1 Renouvellement hivernal : en automne et en hiver, à mesure que les températures baissent, l'eau de surface se refroidit et devient plus dense, la faisant couler vers le fond et déclenchant un mélange par convection verticale dans tout le réservoir-un phénomène connu sous le nom de « renouvellement du réservoir ». Au cours de ce processus, l’eau froide riche en substances alcalines (telles que l’azote ammoniacal) accumulée au fond est transportée dans tout le plan d’eau. L'azote ammoniacal se dissout dans l'eau pour former de l'hydroxyde d'ammonium, qui est alcalin : NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH⁻. L'ajout direct de OH⁻ augmente rapidement la valeur du pH de l'eau.
3. Changements dans l'alcalinité de l'eau et les systèmes tampons
3.1 Les masses d'eau naturelles contiennent un système tampon CO₂-HCO₃⁻-CO₃²⁻. En hiver, en raison de la production réduite de CO₂ provenant de l'activité biologique et de la remontée de substances alcalines depuis le fond, l'alcalinité totale de l'eau (principalement composée de HCO₃⁻ et CO₃²⁻) peut relativement augmenter. Lorsque la concentration de HCO₃⁻ est élevée et la pression partielle de CO₂ est faible, les masses d'eau sont plus susceptibles de devenir alcalines.
4. Facteurs humains et environnementaux
4.1 Pollution agricole diffuse de source- : S'il y a des terres agricoles dans le bassin du réservoir, le ruissellement hivernal des terres agricoles peut contenir des composants d'engrais alcalins ou des lixiviats du sol qui n'ont pas été entièrement absorbés par les cultures, affectant le pH après avoir pénétré dans le réservoir.
4.2 Modifications des conditions hydrologiques : La diminution des précipitations et l'afflux des réservoirs en hiver affaiblissent la capacité de dilution des polluants, entraînant potentiellement une augmentation de la concentration relative de certaines substances alcalines.
Résumé : Les principaux facteurs déterminants de l'augmentation du pH du réservoir en hiver sont la réduction de la consommation de CO₂ due à la diminution de la photosynthèse des algues, ainsi que le facteur crucial de stratification et de renversement de la température de l'eau, qui transporte les substances alcalines de la couche inférieure vers l'ensemble du plan d'eau.
II. Ajustement efficace des processus et gestion des problèmes
Face à une eau brute au pH élevé, les usines de traitement de l'eau doivent adopter une stratégie globale de "surveillance et d'alerte précoce, de contrôle à plusieurs-niveaux et d'assurance de la sécurité".
1. Renforcer la surveillance des sources et l’alerte précoce
1.1 Établir un système de rapport quotidien sur la qualité de l'eau brute : Augmenter la fréquence des tests d'indicateurs tels que le pH, la température de l'eau, l'alcalinité, l'azote ammoniacal et la densité d'algues de l'eau brute au point de prise d'eau pour saisir rapidement les tendances changeantes.
1.2 Collaborer avec les services d'hydrologie et de protection de l'environnement : Comprendre la dynamique hydrologique du réservoir et la situation des sources de pollution dans le bassin versant, prévoir le moment possible de « débordement du réservoir » et se préparer à l'avance.
2. Ajustement des unités de processus de base
2.1. Ajustement du processus de coagulation
2.1.1 Problème : Un pH excessivement élevé affectera gravement la forme d'hydrolyse des coagulants traditionnels à base de sels d'aluminium et de fer, générant des complexes chargés négativement, entraînant un mauvais effet de coagulation, de petits flocs, des difficultés de sédimentation, une augmentation de la turbidité des effluents et une augmentation potentielle de la teneur en aluminium résiduel.
2.2 Contre-mesures :
2.2.1 Remplacer le coagulant : donner la priorité au remplacement du sulfate d'aluminium par du chlorure de polyaluminium (PAC). L'hydrolyse du PAC est moins affectée par le pH, conservant ainsi de bonnes performances de coagulation sur une large plage de pH (notamment neutre à légèrement alcalin).
2.2.2 Ajout d'adjuvants coagulants : Utiliser des adjuvants coagulants polymères (tels que le polyacrylamide, PAM) pour améliorer la structure des flocs et les propriétés de décantation.
2.2.3 Ajustement du pH avant la coagulation (mesure clé) : ajouter des substances acides avant la coagulation pour abaisser le pH de l'eau brute à la plage optimale pour l'action coagulante (généralement 6,5 à 7,5 pour le sulfate d'aluminium et 6,5 à 8,0 pour le PAC).
2.3. Ajustement du pH (ajout d'acide)
2.3.1 Objectif : Non seulement assurer les performances de coagulation, mais également assurer la stabilité chimique de l'effluent et prévenir la corrosion ou le tartre des canalisations.
2.4. Sélection du point d'ajout d'acide :
2.4.1. Ajout de pré-coagulation : sert principalement à optimiser le processus de coagulation.
2.4.2. Ajouté après la filtration ou avant le réservoir d'eau claire : utilisé pour l'ajustement final précis du pH de l'eau traitée, en la stabilisant dans la plage standard nationale (généralement 6,5-8,5) et aussi proche que possible de neutre à légèrement alcalin (par exemple, 7,0-7,8) pour maintenir la stabilité chimique de l'eau.
2.4.3. Sélection d'acidifiant : dioxyde de carbone de qualité alimentaire-(CO₂), acide sulfurique (H₂SO₄), acide chlorhydrique (HCl).
2.5. CO₂ (Recommandé) : Sécurité maximale, aucun risque de corrosion et réagit avec l'alcalinité de l'eau pour produire du HCO₃⁻. Le processus d'ajustement est progressif et ne provoquera pas de sur-acidité localisée. La formule de réaction est : CO₂ + OH⁻ → HCO₃⁻. Cependant, l’investissement en équipement et les coûts d’exploitation peuvent être plus élevés.
2.5.1 Acide sulfurique/acide chlorhydrique : Forte capacité d'ajustement du pH et faible coût, mais très corrosif. Des procédures opérationnelles de sécurité strictes et un contrôle du dosage sont nécessaires pour éviter des chutes de pH localisées qui pourraient corroder l'équipement ou avoir un impact sur les processus ultérieurs.
2.6 Optimisation du processus de désinfection
2.6.1 Problème : L'augmentation du pH affecte considérablement l'efficacité de la désinfection au chlore. L'acide hypochloreux (HOCl) est le principal composant désinfectant, existant en équilibre avec l'hypochlorite (OCl⁻) : HOCl ⇌ H⁺ + OCl⁻. Plus le pH est élevé, plus la proportion d'OCl⁻ est importante, tandis que la capacité de désinfection de l'OCl⁻ n'est que de 1/80 à 1/100 de celle de HOCl.
2.6.2 Contre-mesures :
2.6.3 Assurer le temps de contact (valeur CT) : À des niveaux de pH plus élevés, l'exigence de valeur CT doit être satisfaite en augmentant la dose de chlore ou en prolongeant le temps de contact de la désinfection pour garantir l'efficacité de la désinfection.
2.6.4 Envisager des méthodes alternatives de désinfection : La désinfection à la chloramine peut être utilisée comme méthode auxiliaire ou alternative. La chloramine a une plus grande stabilité et est moins affectée par le pH, mais son effet désinfectant est plus lent. La faisabilité d’une désinfection combinée aux ultraviolets (UV) et au chlore peut également être évaluée.
3. Gestion des opérations et intervention d'urgence
3.1 Effectuer des tests dans les béchers : effectuez quotidiennement des tests dans les béchers de coagulation en fonction de la qualité de l'eau brute pour déterminer de manière dynamique le type et le dosage optimaux de coagulant, ainsi que si une pré-acidification est nécessaire et son dosage.
3.2 Renforcer la surveillance des processus : établir des points de surveillance de la qualité de l'eau après chaque unité de traitement (coagulation, sédimentation, filtration) pour surveiller de près les changements de turbidité et de pH, et fournir des commentaires et des ajustements en temps opportun.
3.3 Plan d'urgence : Élaborer un plan d'urgence en cas de forte augmentation du pH de l'eau brute, définissant clairement la capacité de dosage maximale du système d'acidification, la réserve de produits chimiques de secours et la plage de contrôle des paramètres de procédé à différents niveaux de pH.
En résumé, le problème de l’augmentation du pH de l’eau brute dans les réseaux de distribution d’eau pendant l’hiver est le résultat inévitable des effets combinés des cycles hydrologiques naturels et des processus biochimiques aquatiques. Les exploitants de réseaux d'aqueduc doivent posséder-des stratégies de réponse avant-gardistes et systématiques pour résoudre ce problème. Renforcer la surveillance-en temps réel et l'alerte précoce de la qualité de l'eau brute, comprendre en profondeur le mécanisme d'impact intrinsèque des changements de pH sur les processus de base tels que la coagulation et la désinfection, et appliquer de manière flexible une régulation synergique à plusieurs-niveaux grâce à des techniques telles que l'ajustement du pH, l'optimisation des coagulants et une désinfection améliorée sont essentiels pour résoudre efficacement ce défi saisonnier. En fin de compte, garantir que la qualité des effluents répond pleinement aux normes permettra un fonctionnement sûr, stable et économique du système d'approvisionnement en eau, garantissant ainsi efficacement la sécurité de « l'eau du robinet » des populations. Il ne s’agit pas seulement d’une exigence technique, mais aussi d’un reflet concentré de la responsabilité sociale et des capacités professionnelles des entreprises de distribution d’eau.