Relation dynamique entre l'alcalinité et le pH dans les rejets d'eaux usées à zéro
L'alcalinité des eaux usées est principalement due à trois espèces : les ions hydroxyde (OH⁻), les ions carbonate (CO₃²⁻) et les ions bicarbonate (HCO₃⁻). Ces espèces forment un système tampon à l'équilibre dynamique, dont l'espèce dominante varie en fonction du pH.
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻
Cet équilibre détermine la forme principale d'alcalinité dans différentes plages de pH :
1. pH
2. pH 6,3-10,3 : Le bicarbonate (HCO₃⁻) est l'espèce dominante, une plage courante pour la plupart des eaux usées.
3. pH > 10,3 : Les carbonates (CO₃²⁻) et les hydroxydes (OH⁻) commencent à dominer.
Le rapport de distribution de l'alcalinité totale dans l'eau (principalement HCO₃⁻ et CO₃²⁻) est déterminé précisément par le pH.
Facteurs clés d'influence et logique de contrôle :
1. Contrôle du tartre (adoucissement) : L'eau à forte alcalinité et à forte dureté est très susceptible à la formation de tartre de carbonate de calcium (CaCO₃) pendant le chauffage et la concentration, obstruant les membranes et les évaporateurs.
L'ajout d'acide (tel que H₂SO₄) abaisse le pH, convertissant HCO₃⁻ en CO₂ gazeux (qui est éliminé par une tour de stripage) : 2HCO₃⁻ + H₂SO₄ → 2CO₂↑ + 2H₂O + SO₄²⁻
Il s'agit de la conversion entre « alcalinité » et « pH ». La quantité d'acide ajoutée est directement déterminée par l'alcalinité de l'eau brute (consommation d'alcalinité) et est contrôlée par le pH cible (généralement 6,5-7,0).
2. Contrôle de la corrosion
Un pH trop bas (
3. Optimisation de l'évaporation et de la cristallisation
Avant l'entrée dans l'évaporateur, le pH doit être ajusté dans la plage appropriée (généralement > 9,5). Un pH élevé favorise la précipitation du silicium et la volatilisation de l'azote ammoniacal, mais un pH et une alcalinité excessivement élevés peuvent entraîner l'entartrage par d'autres sels (comme Mg(OH)₂). Le contrôle précis de la quantité de NaOH ajoutée revient à ajuster la quantité d'alcali pour atteindre un pH cible précis.
En ingénierie, le terme « conversion » désigne principalement deux types de calculs :
1. Calcul de l'alcalinité à partir du pH et du carbone inorganique total (CT) (calcul théorique)
2. Calcul du dosage d'acide/base nécessaire pour atteindre le pH cible en fonction de l'alcalinité (pratique fondamentale en ingénierie)
Formule principale et étapes de calcul :
1. Relation théorique
L'expression exacte de l'alcalinité totale (Alk) est : Alk = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] - [H⁺] (eq/L)
En utilisant les constantes d'ionisation primaire et secondaire de l'acide carbonique (K₁, K₂) et du carbone inorganique total (CT), chaque terme peut être exprimé en fonction de [H⁺]. Il s'agit d'un calcul complexe généralement effectué à l'aide d'un logiciel tel que PHREEQC.
2. Pratique d'ingénierie « conversion » : calcul du dosage acide/base
Il s'agit du calcul le plus couramment utilisé dans la conception des systèmes ZLD. Le principe consiste à déterminer la quantité d'acide ou de base nécessaire pour neutraliser l'alcalinité (ou l'acidité) de l'eau jusqu'au pH cible.
Exemple : Calculer la quantité d'acide sulfurique (H₂SO₄) nécessaire pour abaisser le pH actuel de l'eau jusqu'au pH cible.
Données : L'alcalinité de l'eau source est Alk₁ = 300 mg/L (en CaCO₃), et le pH cible doit être abaissé à 6,8 (auquel cas l'alcalinité résiduelle est d'environ Alk₂ ≈ 50 mg/L).
Formule : Dosage d'acide (mg/L) = (Alk₁ - Alk₂) × (poids équivalent d'acide) / (poids équivalent de CaCO₃)
Calcul : Équivalent CaCO₃ = 50 g/eq ; équivalent H₂SO₄ = 98/2 = 49 g/eq (car 1 molécule de H₂SO₄ fournit 2 atomes H⁺) ; Quantité de H₂SO₄ requise = (300 - 50) mg/L × (49/50) = 250 × 0,98 = 245 mg/L
Cela signifie que pour chaque tonne d'eau traitée, environ 245 grammes d'acide sulfurique pur sont nécessaires. Ce calcul repose sur la différence d'alcalinité, et non sur la valeur directe du pH, illustrant parfaitement la logique du calcul par facteur de capacité.