Production d'eau douce

 Cet article concerne le traitement de l'eau potable. Pour le traitement de l'eau industrielle, voir Purification de l'eau.

Le traitement nécessaire à la production d'eau potable dépend fortement de la ressource. Il varie aussi avec le niveau d'exigence, les normes appliquées, qui ne sont pas exactement identiques selon les époques, les pays et l'état des connaissances sur l'incidence des éléments sur la santé.

Les eaux souterraines, issues de prélèvements au sein d'aquifères comme les nappes phréatiques, sont souvent celles qui demandent le traitement le plus léger ; elles peuvent être potables dès le pompage, étant donné que le sous-sol joue le rôle d'un immense réservoir filtrant. La pollution d'une nappe est pourtant possible, et est alors beaucoup plus durable que celle d'un cours d'eau.

Le traitement des eaux de surfaces, c'est-à-dire prélevées en cours d'eau, lacs ou carrières inondées est indispensable, étant donné que ces eaux sont exposées aux pollutions organiques et sont presque toujours le support d'une vie aquatique (notamment le phytoplancton).

Seulement 0,3 % de la totalité de la réserve mondiale d’eau est disponible comme "eau potable propre" d'où la nécessité de trouver et d'utiliser des procédés spécifiques: On peut ainsi produire de l'eau potable à partir de l'eau de mer ou d'autres sources avec des coûts souvent plus importants. Dans le cas de l'eau de mer, on parle alors de désalinisation avec plusieurs méthodes possibles : la distillation, la nanofiltration, l'électrodialyse, système d'échangeur d'ions, ...

Contrairement à une idée reçue, l'eau potable n'est pas produite par des stations d'épuration d'eau usée : ces dernières rejettent leur eau nettoyée dans le milieu naturel (rivière, fleuve, mer, ...) et contribue ainsi au cycle de l'eau: l'eau nettoyée ou "eau claire" n'est donc pas directement distribuée au robinet.

Autoclave de laboratoire

Distillation par alambic

Traitement

Coagulation-floculation

La coagulation et la floculation sont au cœur du traitement de l'eau potable. Il s'agit ici du traitement secondaire que nous effectuons sur une eau brute suivant le dégrillage et le déssablage. Premièrement, nous ajoutons un coagulant, un produit qui aura pour effet de neutraliser la charge des particules colloïdales (responsables entre autres de la couleur et turbidité) de façon à ce qu'elles ne se repoussent plus les une des autres. Le coagulant est ajouté juste avant ou dans un bassin à mélange rapide pour aider à faire effet plus rapidement. Une fois cette étape accomplie, nous injectons un floculant ou aide-coagulant qui aura pour effet d'agglutiner toutes les particules devenues neutres c'est-à-dire les rassembler ensemble pour qu'elles forment des flocons assez gros pour sédimenter (couler au fond) par eux-mêmes. Cette étape a lieu dans un bassin à mélange plus lent de manière à ne pas briser les flocons une fois formés mais pour tout de même avoir un effet de diffusion.

Sédimentation/Décantation

Cette étape suit la coagulation et la floculation et précède la filtration. Une fois le floculant ou aide-coagulant injecté et mélangé à l'eau, cette dernière est dirigée vers les bassins de sédimentation aussi appelés décanteurs. Ce sont de gros bassins avec un temps de rétention assez élevé pour permettre aux flocons qui formaient la turbidité et la couleur de couler au fond du bassin et de s'accumuler pour former de la boue qui devra être régulièrement extraite pour prévenir les accumulations. L'eau sera ensuite acheminée vers les filtres qui enlèveront les plus petites particules qui n'auront pas sédimenté ou décanté lors de l'étape précédente.

Filtration

L'eau est passée à travers un filtre qui intercepte les petites particules. Plus petites sont les mailles du filtre, plus petite doit être une particule pour passer. La filtration peut être accomplie comme traitement tertiaire d'une eau brute, comme traitement secondaire d'une eau usée ou comme unique traitement si on parle d'une filtration transmanbranaire. Les filtres les plus communs dans les stations traitement d'eau sont les filtres au sable et à l'anthracite. Les filtres s'assurent que l'eau qui en sort respecte les normes en vigueur (ou mieux) en ce qui concerne la turbidité (la couleur ayant été enlevée par l'étape précédente). Les virus et bactéries peuvent toutefois passer au travers des filtres c'est pourquoi l'étape finale de désinfection est obligatoire.

Désinfection

Afin d'éliminer les bactéries et les virus, certaines usines de production d'eau potable (tel que celle d'Annet-sur-Marne) utilisent la production d'ozone. En effet, l'ozone est un gaz très instable car constitué de 3 atomes d'oxygène. C'est cette instabilité qui lui confère une capacité oxydante très importante. En oxydant toutes les substances organiques, l'ozone inactive les pesticides et les organismes pathogènes (virus et bactéries).^[1]

La désinfection est le plus souvent effectuée au moyen de chlore. Selon l'OMS, 2 à 3 mg/L de chlore devraient être ajoutés à l'eau, le maximum étant de 5 mg/L.^[2]

Aux États-Unis, la quantité résiduelle maximum de chlore est 4 mg/L^[3], ceci afin de permettre aux distributeurs d'eau de respecter la quantité résiduelle minimum de 0.02 mg/L (mesuré en bout de ligne) fixée par la loi.

Il n'existe pas de norme européenne concernant la quantité de chlore utilisée pour la désinfection de l'eau de distribution.
Cependant, certains pays européens possèdent des normes nationales :
En Belgique, le maximum est de 0,25 mg/L. En France, le maximum est définit comme suit : "Absence d'odeur ou de saveur désagréable et pas de changement anormal".^[4]

Autres techniques de purification

Ébullition

L'eau est maintenue à ébullition un temps suffisamment long pour inactiver ou tuer les microorganismes qui vivent dans l'eau à température ambiante. L'ébullition n'élimine pas les solutés qui ont une température d'ébullition supérieure à celle de l'eau, au contraire leur concentration peut augmenter si de l'eau s'évapore. L'autoclave et la Cocotte minute raffine et améliore le procédé en y ajoutant une pression élevée, qui évite la fuite de l'eau et augmente sa température avant ébullition.

Filtrage au carbone

Le charbon de bois, un composé à haute teneur en carbone, adsorbe beaucoup d'autres composés dont certains toxiques. Le chlore est éliminé par catalyse et les organites sont dissouts par adsorption. L'eau est passée à travers du charbon actif, issu de la noix de coco ou du charbon, pour la purifier de ces composés. Cette méthode est surtout utilisée pour filtrer l'eau des ménages et l'eau des aquariums. Elle permet aussi d'éviter le colmatage par les composés organiques dissouts.

Distillation

On fait bouillir l'eau de façon à produire de la vapeur, qui s'élève, et est mise en contact avec une surface refroidie où la vapeur se condense à nouveau en eau et peut être recueillie. Les solutés ne se vaporisent normalement pas et restent ainsi dans la solution mise à bouillir. Cela dit, même la distillation ne purifie pas complètement l'eau, du fait de contaminants ayant à peu près la même température d'ébullition que l'eau, et de gouttelettes d'eau non vaporisée transportées avec la vapeur.

Osmose inverse

Une forte pression mécanique (en milliers d'hectopascals) est appliquée à une solution impure pour forcer l'eau à passer à travers une membrane semi-perméable. On appelle cela l'osmose inverse parce que l'osmose normale verrait l'eau pure se déplacer dans l'autre sens pour diluer les impuretés. L'osmose inverse est en théorie la meilleure méthode pour la purification à grande échelle de l'eau, mais il est difficile de créer de bonnes membranes semi-perméables. Selon le type de membrane, on obtient 85 à 98 % d'élimination des ions inorganiques, 99 % des colloïdes, bactéries, pyrogènes et virus, 80 à 98 % d'élimination de la silice. Cette méthode est parfois appelée hyperfiltration.

Cette méthode est par exemple utilisée pour produire environ 90% de l'eau potable distribuée le long de la côte belge à partir du traitement des eaux usées dans une Station d'épuration: l'eau produite par osmose inverse subit une photo-oxydation par rayonnement ultraviolet puis est ensuite filtrée dans les dunes de sable, pendant environ 40 jours, avant d'être pompée et distribuée en eau potable. Source et détails

Il s’agit d’un procédé physique de déminéralisation non polluant sans adjonction de produits chimiques. Le procédé d'osmose inverse utilise une membrane semi-perméable afin de séparer les solides dissouts, la matière organique, les virus et bactéries de l'eau. En fonctionnement, l'eau est pressée sur le module. Elle pénètre au travers des couches de la membrane, et est recueillie dans le support poreux (perméat). Les sels retenus sont directement évacués au rejet (concentrat). Les appareils classiques de commerce produisent 9 L de concentrat pour 1 L d'eau déminéralisée produite. Ce concentrat peut être utilisé dans une certaine mesure pour d'autres usages mais lorsqu'il est jeté il en résulte un certain gaspillage de l'eau dans un rapport de 1 à 10.

Déminéralisation par échange d'ions

Dans ce cas, l'eau est passée à travers une colonne chargée de résine qui capte les ions en libérant en échange des ions hydroxyde (pour les ions négativement chargés : sulfate, carbonates, etc.) ou hydronium (pour les ions positifs : calcium, magnésium, autres métaux, etc.), qui se recombinent pour reformer de l'eau. Dans de nombreux laboratoires, cette méthode de purification a remplacé la distillation car elle procure un grand volume d'eau très pure plus rapidement et en consommant moins d'énergie. L'eau obtenue de cette façon est appelée eau désionisée ou eau déminéralisée. Contrairement à la distillation, la déminéralisation permet une production à la demande. Les résines échangeuses d'ions sont parfois couplées à une post-filtration afin d'éliminer les particules issues de la résine.

Électrodialyse

Dans l’électrodialyse, on utilise des membranes échangeuses d’ions. La force motrice est le courant électrique qui permet l’élimination des ions de la solution devant par exemple être dessalée (eau de mer, eau saumâtre): plus l'eau est salée, plus la consommation électrique est importante.

Photo-oxydation

L'eau subit un rayonnement ultraviolet de haute intensité. Cela permet de cliver et d'ioniser les composés organiques, qui peuvent ensuite être éliminés dans les colonnes échangeuses d'ions. Cela provoque en outre l'apparition de composés oxydants, capables de détruire les micro-organismes et certaines molécules.

Condensation

L'eau est présente dans l'atmosphère sous forme gazeuse à moins que sa concentration ait augmenté jusqu'au point de rosée où elle devient brouillard puis liquide. Le point de saturation, défini dans un diagramme de Mollier, varie aussi en fonction de la température et de la pression (cf Psychrométrie, Air humide pour plus d'infos). La fraîcheur de la nuit la précipite à l'aurore sur les feuilles d'arbres ou toute surface formant un réceptacle adéquat. C'est ainsi que certains insectes peuvent recueillir de minuscules gouttelettes dans le désert du Sahara le matin. L'eau peut aussi être précipitée sur des corps froids. Il est possible de collecter une grande quantité d'eau potable en mer grâce à une masse métallique flottante. Certains procédés de perte d'énergie par rayonnement thermique permettent aussi une condensation de l'eau de l'atmosphère (refroidissement).

On peut ainsi "piéger le brouillard" pour produire de l’eau potable sur des sommets, à l'aide de grands filets à fines mailles, accrochés entre des poteaux de bois, comme des écrans en plein air. En contrebas, une citerne alimente un robinet. Ce système est utilisé en Amérique du Sud ou en Afrique (écoles, villages, etc...). L'approvisionnement en eau par ce moyen est irrégulier et imprévisible, mais connait de plus en plus de succès dans les régions pauvres ou sans aucune autre ressource en eau potable.^[5]

Références

Eau potable
En France (loi du 3 janvier 1992)  • Prix • Eau minérale Eau du robinet • Production
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