Traitement d'eau au forage : chaux et chlore dans le même bac ?
Un forage alimente un village de 1 200 habitants près de Kolwezi. L'eau brute a un pH de 5,3, une concentration en fer dissous de 4,2 mg/L et une turbidité de 18 NTU. Le débit est de 6 m³/h. Un technicien propose de traiter l'eau avec de la chaux vive (CaO) pour remonter le pH à 7,0, puis d'ajouter de l'hypochlorite de sodium (NaOCl) à la même étape, dans le même bac, pour « tout faire en une fois ». On dispose de chaux à 85 % de pureté. Le chlore libre résiduel visé est 0,5 mg/L. Le bac de contact a un volume de 3 m³. Le technicien affirme : « À pH 7,0, le chlore est totalement sous forme HOCl, donc l'efficacité est maximale ; et le fer sera éliminé par simple décantation. » Par ailleurs, le camion de chaux ne peut livrer que 50 kg par semaine.
1. Le pH 7,0 garantit-il que le chlore est « totalement » sous forme HOCl ? Justifiez par un calcul avec un pKa de 7,5.
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Non. Le pKa du couple HOCl/OCl⁻ vaut environ 7,5 à 25 °C. D'après Henderson–Hasselbalch :
pH = pKa + log([OCl⁻]/[HOCl])
À pH 7,0 : rapport = 10^(7,0 − 7,5) = 10^(−0,5) = 0,316. Fraction de HOCl = 1 / (1 + 0,316) = 0,76, soit 76 %, et non 100 %.
HOCl est l'espèce désinfectante ; OCl⁻ est beaucoup moins active. On est donc à 76 % de la forme active. Descendre à pH 6,5 donnerait 91 %, mais augmenterait la corrosion et le coût de correction ; la plage 7,0–7,2 est un compromis classique. L'affirmation du technicien est fausse, même si le pH choisi reste acceptable.
2. Estimez la masse de chaux à 85 % nécessaire par m³ d'eau pour neutraliser une acidité minérale de 0,8 mmol H⁺/L et précipiter le fer (1 mol CaO par mol Fe). Comparez à la livraison hebdomadaire et signalez les limites du calcul.
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Acidité : 0,8 mmol H⁺/L = 0,8 mol/m³. La réaction CaO + 2 H⁺ → Ca²⁺ + H₂O consomme 0,4 mol CaO par m³, soit 0,4 × 56 = 22,4 g de CaO pur/m³.
Fer : 4,2 g/m³ ÷ 55,85 g/mol = 0,075 mol Fe/m³ ; avec 1 mol CaO par mol Fe, cela fait 0,075 × 56 = 4,2 g de CaO pur/m³.
Total ≈ 26,6 g de CaO pur/m³ ; à 85 % de pureté : 26,6 / 0,85 = 31,3 g de chaux commerciale par m³.
À 6 m³/h et 24 h/j : 144 m³/j × 31,3 g = 4,5 kg/j, soit 31,5 kg/semaine : la livraison de 50 kg suffit, avec environ 37 % de marge.
Limites : le calcul ignore l'acidité due au CO₂ dissous et le fait que la précipitation réelle du fer exige une oxydation préalable de Fe²⁺ en Fe³⁺ (aération), donc la consommation pratique peut être supérieure. Un essai au jar-test est indispensable avant de fixer la dose.
3. Quels problèmes pose le mélange chaux + hypochlorite dans le même bac ? Proposez un ordre de traitement correct, en vérifiant le temps de contact.
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Trois problèmes :
- Consommation de chlore par le fer : 2 Fe²⁺ + Cl₂ → 2 Fe³⁺ + 2 Cl⁻, soit 71/111,7 ≈ 0,64 mg Cl₂ par mg Fe. Pour 4,2 mg/L de fer, la demande instantanée est d'environ 2,7 mg/L, très supérieure au résiduel visé de 0,5 mg/L : l'essentiel du chlore serait consommé avant de désinfecter.
- pH élevé : le chlore passe sous forme OCl⁻, moins active, et la chaux précipite du CaCO₃ sur les parois et les doseurs.
- Pilotage impossible : on ne peut contrôler séparément ni le pH ni le chlore résiduel.
Ordre correct : aération/oxydation → chaux et décantation → filtration → chloration. Temps de contact : 3 m³ ÷ 6 m³/h = 0,5 h, soit 30 min, ce qui est juste suffisant pour le chlore ; il faut ensuite mesurer le résiduel en sortie de réseau et ajuster la dose.