Les coagulants sont très souvent les premiers réactifs utilisés dans la longue chaîne du traitement de l'eau. Historiquement, les sels d'aluminium sont plus utilisés dans le secteur de l'eau potable, et les sels de fer dans le secteur de l'assainissement : « Les sels de fer sont habituellement fabriqués à partir de résidus ou de sous-produits de l'industrie. Ils peuvent donc contenir des impuretés, ce qui n'est cependant pas gênant pour l'assainissement. En revanche, ils sont moins coûteux que les sels d'aluminium ou que les sels de fer réalisés à partir de minerai non recyclé. Plus purs, ces derniers sont privilégiés pour l'eau potable », explique Philippe Gislette, directeur du Cirsee, le centre de recherche de Suez Environnement. Pourtant, ces frontières sont mobiles. Dans le secteur de l'eau potable, la qualité et les caractéristiques de l'eau brute sont primordiales pour choisir le coagulant. À commencer par le pH : « Pour un pH faible, il sera préférable de choisir des sels d'aluminium, témoigne Emmanuel Guiol, responsable de la production d'eau potable à la Société des Eaux de Marseille (SEM). En effet, lorsque le pH est faible, les sels de fer se dissolvent facilement, ce qui augmente les risques de retrouver du fer dans l'eau potable. Inversement, les sels de fer seront adaptés aux pH élevés : dans ce cas, l'utilisation de sels d'aluminium fait courir le risque de retrouver de l'aluminium dans l'eau. C'est pourquoi, à Marseille, pour traiter l'eau provenant de la Durance, nous utilisons des sels de fer, alors que dans l'Ouest les stations utilisent plus les sels d'aluminium. » Dans le secteur du traitement des eaux résiduaires urbaines (ERU), le pH est plutôt stable. Pourtant, lorsque des industries sont raccordées au réseau urbain, l'acidité de l'effluent peut varier. Des prétraitements de neutralisation peuvent dès lors se révéler nécessaires, grâce à l'ajout de solutions acides ou basiques. L'une des difficultés de l'exercice étant de s'adapter aux variations de qualité et de quantité des flux industriels, qui ne sont pas toujours connues. LE CAS DE L'ASSAINISSEMENT Le deuxième point essentiel, surtout pour l'assainissement, est la filière de traitement sélectionnée. Tout d'abord pour le process eau. Les coagulants sont employés lors du traitement primaire, pour l'étape de coagulation-floculation au niveau de la clarification. Ils ont une double fonction de captation du phosphore, essentielle, et de piégeage des matières en suspension. « L'usage des sels d'aluminium se développe notamment là où est mis en place un traitement primaire avant biofiltration, car ils permettent de garder du phosphore pour l'étape de traitement biologique. Ils sont aussi sélectionnés là où il y a des problèmes de corrosion des équipements et des infrastructures, car ils sont beaucoup moins agressifs que les sels de fer », précise Alain Benazra, directeur commercial de Feralco Environnement et directeur général de Feracid. Autre configuration : lorsqu'un traitement tertiaire par ultraviolets (UV) est prévu sur les eaux traitées, les sels de fer sont à éviter « car ils donnent une coloration jaune à l'eau, qui gêne la pénétration des UV dans l'effluent », selon Thierry Poveda, directeur du bureau d'études projet de l'agence de Chartres de Ternois. Le choix de la filière de traitement des boues est aussi déterminant. Pour faciliter leur valorisation et diminuer le coût de leur transport, ces dernières sont de mieux en mieux déshydratées. Ici, le traitement commence souvent par l'injection de polymères de synthèse dont le prix est élevé. « Si la filière de déshydratation ne comprend que des tables d'égouttage, centrifugeuses ou filtres-presses à bandes, ne seront utilisés que des polymères. Par contre, lorsque l'on emploie des filtres-presses à plateaux, il faut préépaissir les boues par ajout de polymères et traitement sur table d'égouttage, puis injecter des sels de fer et éventuellement du lait de chaux », poursuit Thierry Poveda. Pourtant, « les sels d'aluminium sont privilégiés pour les installations qui incinèrent ou sèchent les boues, puisque les sels de fer peuvent provoquer un dépôt de minerais au niveau des tours des cheminées ou générer une corrosion des réfractaires », note Alain Benazra. CHOIX DU TYPE DE CHLORATION Pour l'eau potable, ce sont le chlore et ses dérivés qui représentent les produits chimiques les plus utilisés. Plusieurs solutions sont possibles : l'utilisation de chlore gazeux, d'hypochlorite de sodium (eau de Javel) ou d'hypochlorite de calcium, ou encore l'électrolyse sur site de chlorure de sodium (autrement appelé sel de table...). Le chlore gazeux offre l'avantage de pouvoir être conservé longtemps, ce qui n'est pas le cas de l'hypochlorite de sodium qui perd son pouvoir actif au cours du temps. L'hypochlorite de calcium, stocké sous forme solide, se garde plus longtemps que l'eau de Javel, mais il est plus dangereux et se dissout moins bien dans l'eau. Quant à la solution d'électrolyse sur site, elle demande un investissement initial important. Le choix dépendra en grande partie de l'offre en produits et en services disponible localement. En effet, d'après Luc Derremaux, directeur de Cifec, « le chlore gazeux est produit par des usines classées Seveso ; il n'y a donc pas de petits producteurs. En outre, le coût de son transport est élevé car il exige des mesures de sécurité sévères ». Il sera donc utilisé en priorité à proximité des usines de production, ou là où des sociétés peuvent assurer la logistique qui lui est propre. C'est par exemple le cas à la SEM, qui a mis en place un service chloration employant dix personnes. Il assure la livraison des bouteilles, l'entretien des installations, le suivi administratif... Les fabricants de chlore peuvent proposer des services similaires « mais notre différence est de pouvoir intervenir sous astreinte, s'il y a un problème la nuit ou le week-end », explique Emmanuel Guiol. Ce service dessert les quelque 110 installations de chloration gérées par la SEM, mais aussi d'autres services des eaux de la région. Lorsque de tels services ne sont pas disponibles, les exploitants pourront préférer l'emploi d'eau de Javel. Quant à l'installation de systèmes d'électrolyse, en raison du coût d'investissement, « elle est encore rare en France. Cette filière peut pourtant permettre d'éviter une rotation fréquente de camions pour alimenter un site en hypochlorite de sodium. Le Sedif a installé quelques stations de rechloration par électrolyse en région parisienne pour limiter les gênes à la population », note Luc Derremaux, qui annonce aussi la sortie à moyen terme de systèmes d'électrolyse moins coûteux. RÔLE DES MARCHÉS MONDIAUX L'électrolyse sur site offre un avantage supplémentaire : le seul produit nécessaire pour sa mise en oeuvre est du sel, d'où une autonomie très importante par rapport à l'industrie chimique. Le choix des produits doit en effet aussi être guidé par des critères économiques et stratégiques. L'évolution probable du prix mérite d'être étudiée à moyen et long terme, car le prix de la plupart des réactifs dépend en grande partie des marchés mondiaux. Ce prix doit en outre être mis en regard de l'impératif de sécurité. Le fonctionnement d'une usine de traitement ne peut pas être menacé par des problèmes d'approvisionnement. Alain Benazra relate la crise de production du chlorure ferrique (FeCl3) en France de 2008-2009 : « La crise subie en France par l'industrie chimique et l'industrie métallurgique a entraîné une diminution de la production de coproduits, comme l'acide chlorhydrique (HCl) ou les jus de décapage, traditionnellement utilisés pour produire du FeCl3. D'où une diminution de la production de FeCl3, et des difficultés d'approvisionnement pour certaines usines de traitement d'eau. » Fort de ce constat, Feralco Environnement et Novacid ont décidé de s'unir pour créer Feracid, producteur de chlorure ferrique, dont la stratégie repose sur la sécurisation de la production. L'usine est située à Pont-de-Claix (Isère), où sont installées des activités industrielles productrices de HCl et de chlore. Ce dernier est l'un des oxydants qui peuvent être utilisés pour fabriquer du FeCl3. Or « l'approvisionnement en oxydants est généralement difficile ou complexe », explique Alain Benazra. La technologie employée par Feracid permet d'utiliser, soit du minerai de fer, soit des coproduits ferreux de l'industrie. En outre, les équipements critiques sont tous doublés. « Les éléments qui ont généré la crise d'approvisionnement en FeCl3 vont revenir de façon cyclique. Feracid a sa place sur le marché avec son modèle de service par tous temps », s'est convaincu le chef d'entreprise. Quant aux polymères, leur plus gros producteur mondial, SNF Floerger, est français. Cela peut rassurer, mais l'entreprise, peu diserte par ailleurs, appelle tout de même les grandes villes à constituer des stocks stratégiques. Ce qui laisse imaginer une production à flux tendu. ORIENTATION DES CHOIX Ces éléments de réflexion sont intégrés par les exploitants et orientent le choix des réactifs et des fournisseurs. Ainsi, d'après Emmanuel Guiol, la SEM sécurise ses approvisionnements grâce à des contrats-cadres pluriannuels, ce qui limite l'évolution des coûts. Elle a aussi constitué d'importantes capacités de stockage : « Deux mois de stock pour le chlorure ferrique et environ un mois d'avance pour le chlore. » Enfin, la société « privilégie la production locale », notamment pour le chlorure ferrique et le chlore : « Nous pouvons ainsi aller visiter le site de production », poursuit Emmanuel Guiol. Une fois les produits chimiques sélectionnés, il est nécessaire d'en assurer une gestion optimale sur la station. Ils exigent des mesures de sécurité importantes, car ces produits sont dangereux et peuvent réagir entre eux. De gros efforts ont été menés pour éviter tout risque lors du dépotage : les embouts sont différents selon les réactifs utilisés, par exemple. D'autre part, les concepteurs de stations construisent de plus en plus souvent des ouvrages de rétention : « Sur les zones de dépotage, il y a parfois un volume équivalent à celui du camion entier ; sous les cuves de stockage et même sous les pompes doseuses, des zones de rétention sont aussi installées », détaille Thierry Poveda. En outre, les canalisations transférant le réactif entre la cuve de stockage et la pompe doseuse « sont de plus en plus souvent à double peau, pour canaliser les égouttures. Un contrôleur de circulation est fréquemment installé au point d'injection pour vérifier que le réactif est bien parvenu jusqu'au bout de son cheminement », témoigne Philippe Drouet, directeur de l'ingénierie de Stereau. PRÉCISION DU DOSAGE L'autre point central d'une bonne gestion est un dosage exact : ni trop, ni trop peu, afin d'assurer l'efficacité du traitement et de réduire à la fois les coûts, l'empreinte carbone de la station et les éventuelles conséquences environnementales (pour les ERU) ou de mauvaise image auprès des clients (pour l'eau potable). UNE POLÉMIQUE RÉCURRENTE Ainsi, témoigne Emmanuel Guiol de la SEM, « dans le secteur de l'eau potable, les réactifs sont un poste de coût peu important. Mais ils peuvent représenter une source d'émissions de gaz à effet de serre non négligeable. C'est ce qu'a prouvé un bilan carbone de notre activité réalisé en 2007. Par conséquent, nous avons revu nos procédés pour diminuer de 30 % nos consommations de produits chimiques ». Par ailleurs, s'il y a trop de chlorure de fer dans l'eau, cette dernière peut avoir une coloration rouge au robinet, que n'apprécie pas la clientèle. Quant au surdosage des sels d'aluminium, s'il entraîne dans l'eau potable une concentration supérieure aux indicateurs de fonctionnement (200 µg/l), il peut provoquer des inquiétudes dans la population. La polémique est en effet récurrente sur le lien entre présence d'aluminium dans l'eau et maladie d'Alzheimer, malgré les résultats des études de l'Afsaa. Dans le secteur de l'assainissement, le facteur coût est prédominant. Les réactifs sont de plus en plus concentrés : il est donc nécessaire d'injecter des doses de plus en plus précises. Pour cela, la précision des pompes doseuses est croissante. MOTEURS PAS À PAS Grundfos a ainsi développé des pompes doseuses digitales utilisant des moteurs pas à pas, « qui permettent un dosage en continu », comme l'explique Serge Ludmann, responsable du centre de compétence dosage et désinfection de Grundfos France. Les versions les plus élaborées des pompes intégrant ce moteur, appelées DDA, permettent de faire varier l'injection en fonction du débit des eaux à traiter et d'ajuster la courbe de dosage en fonction des variations des pressions aux points d'injection. Même souci chez Milton Roy Europe. Axel Bokiba, directeur marketing et développement, assure une « injection en continu plutôt qu'en batch, à des débits très faibles (jusqu'à 60 ml par heure) et avec une grande précision ». Ici, ce n'est pas le moteur qui a été adapté, mais la membrane - le fabricant utilise une membrane rigide au lieu des membranes souples habituelles et assure que la répétabilité est bien supérieure. INJECTION ET AGITATION Des efforts sont aussi menés concernant la meilleure définition de l'injection efficace. Le point d'injection peut varier : il est le plus souvent situé sur la canalisation d'amenée de l'eau au bassin de décantation, ou dans ce dernier. Les recherches pour améliorer cette étape ont par exemple amené le Cirsee à mettre au point des buses d'injection : « Ce sont des petits orifices d'où le réactif est diffusé avec plus de pression, pour une meilleure dispersion dans le milieu liquide ; ou encore des diffuseurs annulaires, injectant en plusieurs points sur la section de la canalisation », explique Philippe Gislette. L'injection se fait cependant souvent dans le bassin « en bord de pale d'agitation, où l'on profite de l'effet vortex pour améliorer le mélange », décrit Philippe Drouet. L'efficacité de l'agitation devient dès lors primordiale. Pour optimiser ce point, Milton Roy Mixing utilise un logiciel de simulation numérique des écoulements : il permet de choisir la meilleure solution d'agitation en fonction de la forme de la cuve, afin d'éviter les points morts. Pour le traitement de l'eau, « il est possible de choisir entre différents types d'hélice, de diamètres et de vitesses de rotation, mais aussi entre l'installation d'une ou de plusieurs hélices l'une au-dessus de l'autre sur l'arbre », analyse Patrice Cognart, chef de produit agitation. Pour le traitement des boues, l'hélice la plus adaptée à ce fluide particulièrement changeant est le modèle Sabre. « Le choix portera sur le profil, plus ou moins cisaillant, mais aussi le diamètre et la vitesse », poursuit-il. Par ailleurs, Philippe Drouet rappelle que « les agitateurs sont de plus en plus souvent équipés de variateurs de vitesse. Cela peut se révéler utile, notamment pour l'eau potable : sur une eau froide, l'efficacité de la coagulation nécessitera plus d'agitation. Il sera alors nécessaire de réguler la vitesse en fonction de la température mesurée ». ASSERVIR À LA MESURE Comme l'illustre cet exemple, la mesure est l'un des points clés d'un bon dosage. Des débitmètres mesurent la dose de réactif injectée lorsque l'injection est effectuée par électrovanne, comme cela est souvent le cas pour les coagulants. Des outils permettent aussi de mesurer en ligne les caractéristiques de l'eau. Pour l'eau potable, « le paramètre le plus intéressant à suivre est la turbidité. Il est aussi possible de mesurer sur l'eau en entrée d'usine un équivalent DCO. Ces deux mesures peuvent permettre d'éviter l'ajout de certains réactifs », décrypte Cédric Fagot, chef de marché eau et environnement chez Endress+Hauser. Un autre exemple est donné par la SEM : « Nous utilisons du chlore en préchloration pour lutter contre les efflorescences algales. En ajoutant un capteur d'algues en amont, nous avons asservi cette préchloration aux seuls cas où un bloom commence », raconte Emmanuel Guiol. La mesure prend aussi toute son importance dans le dosage du chlore, sur les postes de rechloration. « Le gros problème est de ne pas surchlorer. Dans les réseaux, les débits varient beaucoup : il peut y avoir des amplitudes de 1 à 100 en quelques minutes. Une régulation sophistiquée est donc indispensable, et peut même inclure un contrôle des cohérences », décrit Luc Derremaux. Dans le secteur des eaux usées, « le poste le plus coûteux et qui peut être amélioré est le traitement des boues. Une mesure optique de la turbidité peut être mise en place, à moins que la boue soit très chargée ou noire, auquel cas une mesure de viscosité peut être utile. Cette dernière se développe doucement », poursuit Cédric Fagot. L'utilité de cet outil est soulignée par Philippe Drouet : « Jusqu'à présent, l'injection était uniquement asservie au débit des boues, sans prendre en compte les fluctuations de la concentration des boues. La mesure de viscosité trouve tout son intérêt pour économiser les polymères, qui sont chers. »Le développement des mesures exige en outre la mise au point d'outils d'aide à la décision. Des outils sur lesquels travaille le Cirsee depuis plusieurs années, et qui sont toujours en train d'être affinés afin de garantir la qualité de l'eau produite quelle que soit la qualité de l'eau à traiter. À la SEM, les doses injectées ont pu être réduites « en améliorant les tables de communication entre la turbidité de l'eau et les taux de coagulation appliqués », explique Emmanuel Guiol. Outils de régulation fine de l'injection de réactifs, les capteurs méritent une plus large utilisation. Elle ne sera cependant possible que si leurs besoins en maintenance et leur coût diminuent. Vaste chantier pour les fabricants.