- Production d'eau potable
-
Cet article concerne le traitement de l'eau potable. Pour le traitement de l'eau industrielle, voir Purification de l'eau.La production d'eau potable correspond à l'action permettant de produire de l'eau potable à partir des eaux naturelles. Le traitement nécessaire dépend fortement de la qualité de la ressource. Il varie aussi avec le niveau d'exigence et les normes appliquées, différentes suivant les pays.
Sommaire
Origine de l'eau
Il existe trois réserves disponibles d'eaux naturelles :
- les eaux souterraines (aquifère, nappe phréatique, infiltration)
- les eaux de surfaces captives ou en écoulement (lacs, étangs, rivières, fleuves)
- les eaux de mer et eaux saumâtres
Les eaux souterraines
Puits de pompage d'eaux brutes
Les eaux souterraines sont contenues dans des aquifères de natures très variées, définies par la porosité et la structure du terrain. Ces paramètres déterminent le type de nappe et le mode de circulation de l'eau.
La nature géologique du terrain a une influence déterminante sur la composition chimique de l'eau. A chaque instant s'établit un équilibre entre la composition du terrain et celle de l'eau.
- Les terrains sablonneux ou granitiques fournissent des eaux acides et peu minéralisées.
- Les terrains calcaires fournissent des eaux calciques, minéralisées et incrustantes.
Les eaux souterraines ont longtemps été synonymes d'eau propre, répondant naturellement aux normes de potabilité. Ces eaux sont moins sensibles aux pollutions accidentelles.
Les nappes libres sont plus sensibles, étant alimentées par l'infiltration des eaux de surfaces, que les nappes captives, séparées par une couche imperméable. Les plus sensibles sont les nappes alluviales, directement influencées par la qualité de l'eau de la rivière.
Lorsqu'une ressource souterraine a été polluée, il est difficile de récupérer la pureté d'origine. Les polluants ayant contaminés l'eau mais également le terrain environnant (fixation et adsorption sur les roches et minéraux du sous sols).
Suivant le terrain d'origine, les eaux souterraines peuvent contenir des éléments dépassant les normes de potabilité. Notamment du fer, du manganèse, de l'H2S, du fluor, de l'arsenic… Toutes les eaux présentant ces dépassements doivent être traitées avant distribution.
La législation Française définit cependant une exception pour les eaux minérales. Distribuées en bouteille, ces eaux souterraines peuvent contenir des éléments en concentration supérieure à la concentration autorisée pour l'eau potable. Les caractéristiques sont définies par une autre norme.
Les eaux de surface
Les eaux de surface ont pour origines soit les eaux souterraines (par une résurgence, source), soit les eaux de ruissellements. Ces eaux se regroupent en cours d'eau et sont caractérisées par une surface libre, surface de contact entre l'eau et l'atmosphère, toujours en mouvement, avec une vitesse variable. Les eaux de surface peuvent se retrouver stockées dans des réservoirs naturels (lacs) ou artificiels (barrages), de profondeur variable. La surface d'échange se retrouve alors quasiment immobile.
La composition des eaux de surface est extrêmement variable, liée à la nature des terrains traversés et aux échanges eau/atmosphère (les eaux se chargeant en gaz dissous : oxygène, CO2, azote…). Il faut noter :
- présence d'oxygène dissous
- concentration importante en matière en suspension
- présence de matières organiques
- présence de plancton
- Variations journalières ou saisonnières (température, fonte des neiges, chute de feuilles…)
De par l'influence de tous ces paramètres, les eaux de surface sont rarement potables sans traitement. Elles sont généralement polluées bactériologiquement et présentent éventuellement plusieurs pollutions :
- d'origine urbaine (rejet de station d'épuration)
- d'origine industrielle (solvants, hydrocarbures, produits de synthèse, métaux lourds, produits toxiques, …)
- d'origine agricole (pesticides, herbicides, nitrates, rejets organiques, …)
Les eaux de mer et eaux saumâtres
Ces eaux sont caractérisées par une salinité importante. Selon leurs origines (pleine mer, estran, estuaire) les caractéristiques physiques sont très variables : turbidité, matières en suspension, présence de plancton, teneur en sable, pollution par des rejets urbains ou industrielle, influence des fleuves, influence de la marée, température de l'eau,…
A cause de sa forte concentration en sels, l'eau de mer n'est pas potable et nécessite une importante désalinisation.
Normes de traitement
Le tableau ci dessous ne liste pas tous les paramètres existants, mais donne les valeurs limites ou de références pour les paramètres les plus courants.
Une limite de qualité est une valeur maximale à ne pas dépasser pour éviter une non conformité et une toxicité de l'eau.
Une référence de qualité est une valeur guide à atteindre, mais dont le dépassement n'engendre pas de toxicité de l'eau.
OMS[1] USA[2] UE[3] UE Allemagne[4] Allemagne Grande Bretagne[5] Grande Bretagne France[6] France Limite de qualité Référence de qualité Limite de qualité Référence de qualité Limite de qualité Référence de qualité Limite de qualité Référence de qualité 1,2-dichloroéthane 30 μg/l 5 μg/l 3 μg/l 3 μg/l 3 μg/l 3 μg/l Aluminium total 200 μg/l 200 μg/l 200 μg/l 200 μg/l 200 μg/l 200 μg/l Ammonium 0,5 mg/l 0,5 mg/l 0,5 mg/l 0,1 mg/l Antimoine 20 μg/l 6 μg/l 5 μg/l 5 μg/l 5 μg/l 5 μg/l Arsenic 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l Bactéries coliformes 5 nombres / 100 ml 0 nombres / 100 ml 0 nombres / 100 ml 0 nombres / 100 ml 0 nombres / 100 ml Bactéries sulfato-réductrices 0 nombres / 100 ml 0 nombres / 100 ml 0 nombres / 100 ml Baryum 0,7 mg/l 2 mg/l 0,7 mg/l Benzène 10 μg/l 5 μg/l 1 μg/l 1 μg/l 1 μg/l 1 μg/l Benzopyrène 0,7 μg/l 0,2 μg/l 0,01 μg/l 0,01 μg/l 0,01 μg/l 0,01 μg/l Bore 0,5 mg/l 1 mg/l 1 mg/l 1 mg/l 1 mg/l Bromates 0,01 mg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l Cadmium 3 μg/l 5 μg/l 5 μg/l 5 μg/l 5 μg/l 5 μg/l Carbone organique total (COT) 2 mg/l Chlorites 0,7 mg/l 1 mg/l 0,2 mg/l Chlorure de vinyle 0,3 μg/l 2 μg/l 0,5 μg/l 0,5 μg/l 0,5 μg/l 0,5 μg/l Chlorures 250 mg/l 250 mg/l 250 mg/l 250 mg/l Chrome 50 μg/l 50 μg/l 50 μg/l 50 μg/l 50 μg/l Conductivité 2500 μS/cm à 20°C 2500 μS/cm à 20°C 2500 μS/cm à 20°C 180 ≤ ≥ 1000 μS/cm à 20°C Cuivre 2 mg/l 1 mg/l 2 mg/l 2 mg/l 2 mg/l 2 mg/l 1 mg/l Cryptosporidium 0 nombres / 100 ml Cyanures 70 μg/l 200 μg/l 50 μg/l 50 μg/l 50 μg/l 50 μg/l Épichlorohydrine 0,4 μg/l 0 μg/l 0,1 μg/l 0,1 μg/l 0,1 μg/l 0,1 μg/l Fer 300 μg/l 200 μg/l 200 μg/l 200 μg/l 200 μg/l Fluorures 1,5 mg/l 2 mg/l 1,5 mg/l 1,5 mg/l 1,5 mg/l 1,5 mg/l Hydrocarbures aromatiques polycycliques 0,1 μg/l 0,1 μg/l 0,1 μg/l 0,1 μg/l Manganèse 400 μg/l 50 μg/l 50 μg/l 50 μg/l 50 50 μg/l Mercure 6 μg/l 2 μg/l 1 μg/l 1 μg/l 1 μg/l 1 μg/l Microcystine-LR 1 μg/l 1 μg/l Nickel 10 μg/l 20 μg/l 20 μg/l 20 μg/l 20 μg/l Nitrates 50 mg/l 10 mg/l 50 mg/l 50 mg/l 50 mg/l 50 mg/l Nitrites 3 mg/l 1 mg/l 0,5 mg/l 0,5 mg/l 0,5 mg/l 0,1 mg/l Oxydabilité au permanganate de potassium 5 mg/l O2 5 mg/l O2 Pesticides 0,1 μg/l 0,1 μg/l 0,1 μg/l 0,1 μg/l pH 6,5 ≤ ≥ 8,5 unité pH 6,5 ≤ ≥ 9,5 unité pH 6,5 ≤ ≥ 9,5 unité pH 6,5 ≤ ≥ 10 unité pH 6,5 ≤ ≥ 9 unité pH Plomb 10 μg/l 1 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l Sélénium 10 μg/l 50 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l Sodium 200 mg/l 200 mg/l 200 200 mg/l Sulfates 250 mg/l 250 mg/l 240 mg/l 250 mg/l 250 mg/l Température 3 ≤ ≥ 25 °C 25 °C Tétrachloroéthylène et trichloroéthylène 40 μg/l 5 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l 10 μg/l Total pesticides 0,5 μg/l 0,5 μg/l 0,5 μg/l 0,5 μg/l Total trihalométhanes (THM) 20 μg/l 80 μg/l 100 μg/l 50 μg/l 100 μg/l 100 μg/l Turbidité n/a 1 NFU 4 NFU 1 NFU 1 NFU 0,5 NFU 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 un effet plus rapide. 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 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.
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 transmenbranaire. 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)[7].
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[8].
Aux États-Unis, la quantité résiduelle maximum de chlore est 4 mg/L[9], 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 défini comme suit : "Absence d'odeur ou de saveur désagréable et pas de changement anormal"[10].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 raffinent et améliorent le procédé en y ajoutant une pression élevée, qui évite la fuite de l'eau et augmente sa température avant ébullition.
Filtration sur charbon
Le charbon, 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 dissous.
Distillation
Autoclave de laboratoire
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 dissous, 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 un à dix.
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 hydroxydes (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'informations). 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[11].
Notes et références
- OMS - Directives de qualité pour l'eau de boisson, troisième édition (2004) - OMS
- United States Environnemental Protection Agency USA - Drinking Water Contaminants
- CEE - DIRECTIVE 98/83/CE DU CONSEIL du 3 novembre 1998 relative à la qualité des eaux destinées à la consommation humaine - CEE (PDF)
- Allemagne - Bundes ministerium der justiz - Règlement sur la qualité des eaux destinées à la consommation humaine
- Grande Bretagne - OPSI - The Water Supply (Water Quality) Regulations 2000
- France - Décret no 2001-1220 du 20 décembre 2001 relatif aux eaux destinées à la consommation humaine - Normes françaises
- L'ozonation
- Directives de qualité pour l'eau de boisson, troisième édition
- Drinking Water Contaminants
- Décret n° 2001-1220 du 20 décembre 2001 relatif aux eaux destinées à la consommation humaine, à l'exclusion des eaux minérales naturelles
- Piège à brouillard
Annexes
Wikimedia Foundation. 2010.
