.png){kind=logo}
Maîtriser les paramètres physiques de la qualité de l’eau
Paramètres, impacts et solutions
Un aperçu technique de la turbidité, des matières en suspension totales (TSS), de l’indice de densité de colmatage (SDI) et des indicateurs microbiologiques, ainsi que de leur importance.
Pourquoi la qualité de l’eau est-elle importante ?
L’eau constitue la base de tous les processus biologiques et industriels. Qu’elle soit utilisée pour la consommation, l’agriculture, la fabrication ou la production d’énergie, sa qualité physique détermine directement son adéquation à l’usage prévu, sa sécurité et le coût de son traitement.
Les paramètres physiques notamment la turbidité, les matières en suspension, l’indice de densité de colmatage et la charge microbienne déterminent l’aspect de l’eau, son comportement dans les systèmes de traitement, ainsi que la vitesse à laquelle elle peut colmater les membranes ou présenter un risque pour la santé humaine.
Paramètres physiques influençant la qualité de l’eau
1- Turbidité
La turbidité est un paramètre fondamental de la qualité de l’eau qui décrit sa clarté optique. Elle résulte de la présence de particules en suspension et de particules colloïdales qui diffusent la lumière. Ces particules peuvent être constituées d’argile, de limon, de matières organiques, de micro-organismes ou de précipités inorganiques finement dispersés.
La turbidité est largement utilisée dans le traitement de l’eau et la surveillance environnementale comme indicateur de la teneur en particules et de la clarté globale de l’eau. Elle fournit des informations précieuses sur les caractéristiques physiques de l’eau et permet d’évaluer l’efficacité des procédés de traitement.
La mesure de la turbidité est réalisée à l’aide d’un néphélomètre ou d’un turbidimètre, qui projette un faisceau lumineux collimaté à travers un échantillon d’eau. Un photodétecteur, positionné à 90° par rapport au faisceau incident, mesure l’intensité de la lumière diffusée par les particules en suspension.
Les résultats sont exprimés en NTU (Nephelometric Turbidity Units) ou en FTU (Formazin Turbidity Units), cette dernière étant équivalente à l’unité NTU.
Les turbidimètres en ligne, installés directement sur les conduites, assurent une surveillance en temps réel de la turbidité et permettent de contrôler en continu les performances des systèmes de filtration.
2- Matières en suspension totales (TSS)
Les matières en suspension totales, ou TSS (Total Suspended Solids), constituent un paramètre physique essentiel pour l’évaluation de la qualité de l’eau. Elles sont généralement exprimées en milligrammes par litre (mg/L).
La mesure des TSS consiste à filtrer un volume connu d’eau, à sécher les matières solides retenues sur le filtre, puis à déterminer leur masse.
Ce paramètre fournit une indication directe de la charge particulaire présente dans l’eau. Il est couramment utilisé dans la surveillance environnementale ainsi que dans l’évaluation des performances des procédés de traitement de l’eau.
Contrairement à la turbidité, qui mesure la diffusion de la lumière par les particules, les TSS correspondent à une mesure massique directe de la quantité de matières solides présentes dans l’eau.
Méthode normalisée SM 2540D pour la mesure des TSS
-
Un filtre à membrane d’une taille de pores de 0,45 µm, généralement en fibre de verre, est séché à 105 °C pendant une heure, puis pesé à l’aide d’une balance analytique d’une précision de ± 0,1 mg.
-
Un volume mesuré de l’échantillon, généralement compris entre 500 et 1 000 mL, est filtré sous vide à travers la membrane.
-
Le filtre est replacé dans une étuve à 105 °C pendant au moins une heure, puis refroidi dans un dessiccateur.
-
Le filtre est ensuite pesé une seconde fois.
Formule de calcul
TSS (mg/L) = [(masse finale (g) − masse initiale (g)) × 1 000 000] ÷ volume de l’échantillon (mL)
3- Indice de densité de colmatage (SDI)
L’indice de densité de colmatage, ou SDI (Silt Density Index), est un paramètre empirique utilisé pour évaluer le potentiel de colmatage d’une eau, en particulier dans les systèmes de filtration membranaire tels que l’osmose inverse (RO).
Il mesure la vitesse à laquelle les matières particulaires présentes dans l’eau obstruent une membrane filtrante normalisée dans des conditions d’essai contrôlées.
Les valeurs de SDI sont sans unité et donnent une indication de la tendance de l’eau d’alimentation à provoquer un encrassement particulaire. Plus la valeur du SDI est faible, plus le potentiel de colmatage est réduit. Le SDI est donc largement utilisé comme paramètre opérationnel pour la conception, le contrôle et le suivi des installations de traitement de l’eau par membranes.
Étapes de mesure du SDI selon la norme ASTM D4189
-
Faire passer l’échantillon d’eau à travers un disque filtrant de 0,45 µm sous une pression constante de 30 psi (2,07 bar).
-
Mesurer le temps T₀ nécessaire pour recueillir les premiers 500 mL.
-
Poursuivre la filtration pendant une durée totale d’essai Tt, généralement égale à 15 minutes.
-
À la fin de la période d’essai, mesurer le temps T₁₅ nécessaire pour recueillir 500 mL supplémentaires.
-
Calculer le SDI à l’aide de la formule suivante : SDI₁₅ = [1 − (T₀ ÷ T₁₅)] × 100 ÷ Tt
4- Micro-organismes
Les agents pathogènes d’origine hydrique, tels que Cryptosporidium, Giardia, les bactéries et les virus, représentent des défis importants en matière de traitement en raison de leur grande diversité de taille, de structure et de résistance aux procédés conventionnels de désinfection.
Les oocystes de Cryptosporidium et les kystes de Giardia sont particulièrement préoccupants, car ils présentent une forte résistance à la chloration et peuvent persister dans l’eau traitée s’ils ne sont pas éliminés efficacement.
Ces protozoaires sont généralement détectés selon la méthode EPA 1623, qui repose sur la microscopie en immunofluorescence pour assurer leur identification et leur dénombrement avec précision.
Compte tenu de leur faible taille, généralement comprise entre 4 et 15 µm, leur élimination physique nécessite une coagulation, une floculation et une filtration correctement optimisées.
Dans la plupart des cas, une approche à barrières multiples, combinant l’élimination physique et des stratégies de désinfection robustes, est indispensable pour garantir la sécurité microbiologique des systèmes de production d’eau potable.
Paramètres physiques influençant la qualité de l’eau
Effets sur la santé humaine
Une eau trouble peut protéger les agents pathogènes contre les procédés de désinfection. Cryptosporidium et Giardia peuvent provoquer de graves maladies gastro-intestinales. La plupart des réglementations internationales fixent une limite de turbidité de l’eau potable à ≤ 1 NTU afin de protéger la santé publique.
Effets sur la vie aquatique
Les matières en suspension peuvent se déposer au fond des rivières, recouvrir les œufs de poissons et perturber les organismes benthiques. Une eau fortement turbide réduit également la pénétration de la lumière, limite la photosynthèse et déséquilibre la chaîne alimentaire aquatique.
Effets sur les systèmes de traitement et les procédés industriels
Une charge particulaire élevée peut entraîner un colmatage prématuré des membranes d’osmose inverse, des résines échangeuses d’ions et des systèmes de désinfection par ultraviolets.
Lorsque les particules sont constituées de minéraux durs, elles peuvent provoquer une usure abrasive des pompes, des vannes et des échangeurs de chaleur.
Dans les industries agroalimentaire, des boissons, pharmaceutique et microélectronique, ces particules peuvent également contaminer les produits et compromettre leur qualité.
Traitement des contaminants physiques
La filtration constitue la principale technologie utilisée pour éliminer les matières en suspension, réduire la turbidité, limiter les éléments contribuant au SDI et retenir les micro-organismes. Le choix de la technologie appropriée dépend de la qualité de l’eau d’alimentation, des objectifs de qualité de l’eau traitée, du débit, de l’emprise disponible, du budget énergétique et des procédés situés en aval.
Cette section examine les principales technologies disponibles pour l’élimination des matières en suspension, puis présente les critères de sélection justifiant le choix du filtre sous pression à lit profond comme solution optimale pour cette application.
Trois principaux mécanismes de filtration sont utilisés dans le traitement de l’eau :
-
Filtration en profondeur: L’eau traverse un lit poreux de média granulaire dans lequel les particules sont retenues sur toute la profondeur du matériau filtrant. Leur élimination résulte d’une combinaison de mécanismes, notamment le tamisage, l’interception, l’impact inertiel et des interactions physicochimiques telles que l’adsorption. Ce mécanisme permet une capacité élevée de rétention des solides ainsi que de longues durées de fonctionnement entre les cycles de lavage. Les applications courantes comprennent les filtres rapides à sable et les filtres multicouches, largement utilisés comme étapes principales de clarification et de prétraitement.
-
Filtration de surface ou filtration barrière: Les particules sont retenues à la surface d’un tamis ou d’une membrane possédant une taille de pores définie. Ce mécanisme assure une élimination plus prévisible et plus constante des particules, notamment des matières en suspension de grande taille. Il est toutefois généralement limité par un colmatage plus rapide et par une augmentation plus importante de la perte de charge. Les exemples courants comprennent les filtres à cartouche, les filtres à poche et les filtres à disques, souvent utilisés comme étapes de finition ou comme prétraitement en amont des systèmes membranaires.
-
Filtration membranaire: Ce procédé repose sur une séparation sous pression à travers une membrane semi-perméable présentant une structure de pores bien définie. Selon le type de membrane utilisé microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration ou osmose inverse il peut éliminer un large éventail de contaminants, allant des matières en suspension aux substances dissoutes. L’ultrafiltration et la microfiltration constituent des barrières physiques efficaces capables d’éliminer la turbidité, les matières colloïdales, les particules contribuant au SDI ainsi que les micro-organismes, notamment Cryptosporidium et Giardia. Ces systèmes sont couramment intégrés aux procédés de traitement avancé, en particulier lorsqu’une eau traitée de haute qualité ou un prétraitement fiable en amont de l’osmose inverse est requis.
.webp)
Filtration en profondeur
(Filtre à sable sous pression)
Filtration de surface
(Carter de filtre à cartouche)
.webp)
Filtration membranaire
(Module d’ultrafiltration – UF)
Aucune technologie de filtration ne peut, à elle seule, éliminer efficacement l’ensemble des contaminants physiques. Les filières de traitement performantes combinent généralement la filtration en profondeur, l’ultrafiltration et la filtration barrière fine en plusieurs étapes successives, chaque étape réduisant la charge appliquée à la suivante.