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LES TRAITEMENTS DE L’EAU
Introduction Des traitements adaptés à la qualité de l’eau brute Les étapes du traitement Les traitements spécifiques Le traitement de l’eau en chiffres en France
Introduction L’eau qui coule à nos robinets est un produit élaboré, qui a fait l’objet de nombreux traitements et contrôles. Il n’existe pratiquement plus, à l’état naturel, d’eaux propres aux usages alimentaires et à l’hygiène corporelle. En France, l’eau “propre à la consommation humaine” doit répondre à de nombreux critères de qualité. Ces critères reflètent deux préoccupations permanentes : • Celle de la santé publique : fournir au consommateur une eau sûre, garantie contre tous les risques immédiats ou à long terme, réels, potentiels ou même simplement supposés. • Celle du confort et du plaisir : offrir une eau agréable à boire, claire, inodore et équilibrée en sels minéraux. Le rôle des filières de traitement mises en œuvre par les gestionnaires de
service de l’eau est de rendre l’eau brute conforme aux normes de qualité. Les traitements doivent être adaptés à la qualité de l’eau brute. Ils doivent intégrer des systèmes de secours en cas de panne des
installations, de façon à assurer la continuité de la distribution de l’eau, 24h/24. Ils doivent être évolutifs pour suivre les éventuels changements des
caractéristiques de la ressource en eau ou le renforcement de l’exigence des normes encadrant la qualité de l’eau distribuée. L’eau fait l’objet d’une double surveillance :
• Un contrôle officiel qui relève de la compétence des pouvoirs publics (12 millions d’analyses effectuées par les Agences Régionales de Santé chaque année). • Une surveillance permanente des exploitants de service des eaux. Le but de ces contrôles est de vérifier la qualité physico-chimique et microbiologique de l’eau au captage, au cours du traitement et sur le réseau de distribution. Ces contrôles conjugués font de l’eau potable le produit alimentaire le plus surveillé en France.
Pour en savoir plus, consultez notre document : Les contrôles de qualité
Des traitements adaptés à la qualité
de l’eau brute Les caractéristiques physico-chimiques et microbiologiques des eaux brutes varient en fonction de la nature du sol et des activités locales (agricoles, industrielles et domestiques). Pour être exploitables, les eaux brutes doivent répondre à des critères de qualité fixés par la réglementation. Le choix des procédés et des équipements dépendra du niveau de qualité de chaque ressource en eau et sera homologué par le ministère de la santé. En France, 66 % des volumes d’eau captées proviennent de ressources souterraines et 34 % d’eau d’origine superficielle (cours d’eau, lacs) (Ministère chargé de la Santé – ARS - SISE Eaux – 2012).
Le type de traitement dépend de la qualité de l’eau brute captée : de la simple désinfection, éventuellement couplée à une filtration rapide, pour les eaux souterraines bien protégées par leur profondeur et la nature géologique des terrains traversés, à des traitements plus poussés (prétraitement, coagulation, floculation et procédés d’affinage avant désinfection) pour des eaux superficielles ou des eaux souterraines de moins bonne qualité. Le mot “traitement” est souvent associé, dans notre esprit, à l’idée de produits chimiques. Or dans les faits, le traitement de l’eau fait appel pour une très large part à des procédés naturels, physiques (dégrillage, filtration, décantation…), à des procédés biologiques (élimination des nitrates à l’aide de cultures bactériennes…) et à des procédés physico-chimiques (coagulation floculation). Les traitements chimiques sont essentiellement des traitements de désinfection par le chlore ou l’ozone.
Les étapes du traitement Dans un premier temps, l’eau est captée à partir de ressources superficielles ou souterraines. La prise d’eau ou pompage doit permettre une alimentation continue en eau quel que soit le niveau de la ressource (crue ou étiage). Pour les eaux souterraines, l’eau doit être pompée avec un minimum de terre ou de sable. Pour les prélèvements d’eau superficielle, il est nécessaire de retenir les corps flottants et les gros déchets (feuilles, branches, sable, emballages plastiques…). Les procédés élémentaires destinés à traiter les eaux brutes sont nombreux. L’enchaînement des diverses étapes de traitement dépendra de la qualité de la ressource. Chaque procédé peut changer de rôle en fonction de la place qu’il occupe dans la filière du traitement. "6789:7 ;7 <=:=>?7 ;7 @?A=@787B@ ;7 :,7AC ;7D@=BE7 F :A GHBDH88A@=HB IC8A=B7
Les prétraitements Les prétraitements sont appliqués aux eaux chargées en particules de grande taille susceptibles de perturber la mise en œuvre des traitements ultérieurs. Le dégrillage
A son entrée dans l’usine de traitement d’eau potable, l’eau passe au travers de grilles qui arrêtent les corps flottants et les gros déchets. Le tamisage
Des tamis retiennent les déchets plus petits, le sable et le plancton. La pré-décantation
Pour les eaux particulièrement chargées en particules, une pré décantation est nécessaire pour séparer les matières en suspension (argile, limons…). Elle consiste à laisser déposer ces particules sous l’effet de la pesanteur. La pré-oxydation
L’oxydation par l’ozone permet d’éliminer l’azote ammoniacale, le fer et le manganèse, de réduire les goûts, les couleurs et les odeurs, d’améliorer les performances du traitement ultérieur de clarification et de maintenir la propreté des installations.
La clarification La clarification est une étape indispensable pour les eaux de surface et les eaux souterraines provenant de plateaux calcaires. Elle permet d’obtenir une eau limpide par élimination plus poussée des particules en suspension (sable, limons, débris organiques), des matières colloïdales plus petites (argiles fines, bactéries) et d’une partie des matières dissoutes (matières organiques, sels…). La clarification combine des procédés de coagulation floculation, de décantation ou flottation et de filtration. La coagulation-floculation suivie de la décantation ou flottation
Pour éliminer les matières colloïdales et les particules en suspension présentes dans les eaux brutes, on utilise des procédés couplés de coagulation et de floculation. Ils consistent à agréger les particules afin de les extraire plus facilement. L’introduction d’un coagulant, généralement un sel de fer ou d’aluminium, permet de réduire les forces de répulsion électrostatique qui existent entre les particules. Ces particules déstabilisées se rassemblent pour former de petits agrégats.
Après l’étape de coagulation, la floculation a pour objectif d’accroître la cohésion des particules par agitation de l’eau. Elle conduit à la formation d’amas de plus en plus volumineux appelés “flocs”. Pour améliorer la floculation, on peut ajouter un floculant : minéral (silice activée), polymère naturel (alginate ou amidon) ou polymère de synthèse (à base d’acrylamide). L’extraction des “flocs” se fait ensuite par décantation ou flottation. Sous l’effet de son poids, le floc se dépose au fond de la cuve de décantation. Il est possible d’accélérer sa décantation en le lestant avec du micro sable. À l’inverse de la décantation, la flottation consiste à faire remonter les flocs en utilisant de l’air sous pression. Les flocs s’accrochent aux bulles d’air qui les entraînent à la surface. Ils sont ensuite récupérés par un système de raclage. La filtration sur sable
Elle contribue à l’élimination des particules en suspension de certains parasites et des précipités de fer, aluminium et manganèse ainsi qu’à une réduction de la matière organique. • La filtration rapide
C’est la technique la plus répandue. Elle sera d’autant plus efficace que l es grains de sable seront fins. On distingue le filtre monocouche (sable) du filtre bicouche (sable – anthracite ou charbon actif) qui retient davantage les particules en suspension. La filtration sur lit de sable est efficace et simple. C’est pourquoi elle s’est imposée, en raison des énormes volumes d’eau à filtrer. • La filtration biologique lente
Elle nécessite l’usage d’une couche de sable très fin. L’écoulement est alors suffisamment lent pour permettre le développement d’un bio film (algues, bactéries) à la surface du sable. L’activité épuratrice de ce bio film permet la dégradation partielle de la matière organique et des bactéries, virus et parasites.
L’affinage L’affinage a pour but de dégrader les matières organiques et d’éliminer certains micropolluants. Il améliore les qualités organoleptiques de l’eau (saveur, odeur, limpidité). L’affinage par charbons actifs
Les charbons actifs sont obtenus par traitement thermique, jusqu’à 1000°C de charbons naturels (anthracite, tourbe) ou de végétaux (bois, noix de coco). Ce traitement va augmenter considérablement leur surface interne et leur porosité. Ainsi, le charbon actif sera capable de fixer les composés organiques dissous qui ont échappé à la clarification ainsi que la majeure partie des hydrocarbures, pesticides, substances pharmaceutiques, métaux lourds... Le charbon actif en poudre est ajouté dans le décanteur après la coagulation, juste avant la floculation, alors que le charbon actif en grains est utilisé sous forme de lit filtrant lors de la filtration. L’affinage par stripping
Pour extraire les gaz dissous dans l’eau, on applique un contre-courant de gaz d’entraînement. Le stripping retient principalement les composés volatils (benzène, trihalométhane, composés soufrés responsables d’odeurs...).
La désinfection La désinfection permet de neutraliser les virus et bactéries pathogènes. Elle garantie à l’eau une qualité sanitaire irréprochable tout en réduisant les nuisances de goût et d'odeur liées à l'utilisation du chlore.
Les eaux souterraines sont, la plupart du temps, exemptes de germes pathogènes. Le traitement de désinfection qui leur est appliqué permet alors de prévenir tout risque de contamination dû à des infiltrations. Pour que la désinfection soit efficace, il faut que la clarification ait permis une élimination parfaite des matières organiques, des métaux, etc. La désinfection peut être effectuée par des agents chlorés, par l’ozone ou par traitement aux ultraviolets.
Le traitement par des agents chlorés
Le chlore est utilisé en désinfection sous forme de chlore gazeux ou “d’eau de Javel” (hypochlorite de sodium). L’utilisation d’agents chlorés exige une eau faiblement chargée en matière organique. Le traitement par le dioxyde de chlore est préféré dans certains cas car il ne laisse pas de goût désagréable contrairement au chlore gazeux. L’ozonation
L’ozone, formé de trois atomes d’oxygène, est un désinfectant puissant, plus efficace que les agents chlorés. Il permet également l'oxydation de certains pesticides, l’élimination des phénols et des toxines algales, la réduction des goûts, couleurs et odeurs… Il est inodore et rend biodégradable une partie de la matière organique. L’ozonation offre à l’eau une meilleure qualité gustative. Néanmoins, l’ozone est moins rémanent c’est-à-dire moins stable dans l’eau que les agents chlorés. Aussi, il est utilisé au cours du traitement et ne peut pas remplacer le chlore pour la désinfection finale, avant la distribution de l’eau dans le réseau. L’ozone résiduelle est éliminée et n’est pas relâchée dans l’atmosphère. Le traitement aux ultraviolets
Ce traitement présente l'avantage de ne pas générer de mauvais goût. Cependant, comme l’ozonation, il n'a aucune action rémanente. Il s'effectue dans une chambre de traitement où l'eau est irradiée par un ou plusieurs générateurs U.V.
Les nouveaux procédés La filtration membranaire
Les procédés membranaires permettent un traitement de l’eau qui évite un certain nombre d’étapes de clarification et limite la désinfection chimique. L’eau circule au travers des membranes. Celles-ci sont constituées de longues fibres creuses et poreuses d’environ 1 mm de diamètre sur 1,30 m de long, assemblées en faisceaux dans une cartouche cylindrique. Elles peuvent être de nature organique (polymère de synthèse) ou de nature minérale (type céramique). Il existe quatre procédés membranaires classés en fonction de la taille des microorganismes ou des composés chimiques arrêtés par la membrane. • Les membranes de microfiltration permettent la rétention des particules de taille supérieure à 0,1 "m, c’est-à-dire les bactéries, les parasites, les levures, les matières colloïdales… • Les membranes d’ultrafiltration arrêtent en plus la quasi-totalité des virus de taille plus petite de l’ordre de 0,01 "m. • Les membranes de nanofiltration retiennent des particules encore plus petites de l’ordre de 0,001 "m, comprenant la plupart des pesticides mais aussi les ions bivalents comme le calcium et le magnésium. • L’osmose inverse utilise des membranes plus denses qui stoppent aussi des particules de l’ordre de 0,0001 "m. Cette dernière technique est appliquée au dessalement de l’eau de mer et à la production d’eau ultra pure et d’eau de process pour l’industrie et le secteur médical.
Le traitement final Une fois traitée, l’eau doit voyager dans les canalisations pour atteindre les robinets. Sans traitement final, la qualité de l’eau pourrait se dégrader au cours de son transport dans le réseau. La désinfection finale
Même après avoir été désinfectée au cours du traitement, l’eau reste un milieu vivant où peuvent se développer les microorganismes. Le traitement final vise à empêcher la prolifération de ces derniers. On utilise le chlore pour sa grande stabilité dans l’eau. L’ajout d’une infime quantité de chlore (équivalent à une goutte dans cinq baignoires de 200 litres) détruit les dernières bactéries et préserve la qualité de l’eau tout au long de son parcours dans les canalisations. En contrôlant le taux de chlore dans les tuyaux, il est possible de détecter d’éventuels incidents sur le réseau. La mise à l’équilibre calco-carbonique
À la sortie de l’usine de traitement, afin d’éviter les problèmes d’entartrage ou de corrosion des tuyauteries, l’eau ne doit être ni agressive (insuffisamment minéralisée) ni incrustante (trop minéralisée). Un traitement visant à modifier l’équilibre de certains paramètres (pH, alcalinité de l’eau) permet de protéger les conduites. Ainsi, les eaux agressives, responsables de la corrosion, sont neutralisées (par ajout de chaux ou de calcaire) ou reminéralisées. Les eaux incrustantes, responsables de l’entartrage, sont soumises à une décarbonatation (à la chaux ou à la soude), une décarbonatation électrochimique ou un adoucissement par résines échangeuses d’ions. Dans ce cas, on utilise des résines contenant du sodium. Lorsque l’eau traverse la résine, il se produit un échange d’ions : la résine retient le calcium ou le magnésium de l’eau et libère en échange un peu de sodium.
Les traitements spécifiques La plupart des polluants sont éliminés au cours des traitements classiques de clarification et d’affinage. Cependant, certains exigent des traitements spécifiques. C’est le cas, notamment, des métaux lourds, de l’ammonium, des nitrates, des pesticides et des micropolluants organiques que l’on retrouve dans les eaux brutes. Les métaux lourds
À l’exception du fer et du manganèse présents dans la nature, la plupart des métaux détectés dans les eaux brutes proviennent de rejets industriels dans la ressource. Les métaux lourds sont très divers. Les procédés d’élimination varient donc d’un élément à l’autre. La coagulation par les sels d’aluminium ou de fer élimine efficacement l’argent, le chrome et l’étain et réduit de 50 à 90% les teneurs en vanadium et mercure. La filtration sur charbons actifs en grains, la pré chloration et la décarbonatation à la chaux s’accompagnent également d’une réduction importante des métaux lourds. Le fer et le manganèse sont les métaux dont la présence est la plus fréquente, notamment dans les eaux souterraines. Pour les éliminer, on procède soit à un traitement physico-chimique (par aération ou par oxydation par le chlore, l’ozone ou le permanganate de potassium) soit à un traitement biologique faisant appel à des bactéries capables d’oxyder le fer ou le manganèse. L’ammonium
L’ammonium a pour origine la décomposition naturelle des matières organiques ou de l’emploi d’engrais. Pour l’éliminer, on utilise des procédés biologiques de nitrification en présence d’oxygène. Des bactéries transforment dans un premier temps les ions ammonium en nitrites. D’autres bactéries vont ensuite oxyder les nitrites en nitrates qui seront eux-mêmes éliminés.
Les nitrates
Ils sont issus de la décomposition des végétaux et animaux ainsi que de l’usage agricole de fertilisants azotés. Les nitrates sont extrêmement solubles, ils pénètrent dans les sols et se retrouvent dans les cours d’eau. Ils constituent une des causes majeures de la dégradation des ressources en eau. Deux techniques sont utilisées pour leur élimination. • La dénitrification biologique utilise des bactéries capables de transformer les nitrates en azote gazeux. • La dénitratation par échange d’ions nécessite l’emploi de résines échangeuses d’ions chargées de chlorures. L’eau traverse la résine qui absorbe les nitrates présents dans l’eau en libérant en échange des ions chlorures. Les pesticides
De nombreux produits chimiques sont utilisés pour leur capacité à détruire végétaux et organismes nuisibles. C’est ainsi qu’ils sont largement utilisés dans l’agriculture mais également pour les voieries, voies ferrées, espaces verts et cimetières, industries du bois et jardins amateurs. La pollution de plus en plus importante des eaux souterraines et superficielles nécessite des traitements de l’eau spécifiques et de plus en plus sophistiqués. Ainsi, de nombreuses installations emploient des charbons actifs soit en poudre soit en grains ou effectuent une pré oxydation à l’ozone suivie d’une filtration sur charbons actifs en grains pour les éliminer. La nanofiltration ou la combinaison charbon actif en poudre avec ultrafiltration sont également efficaces. Les micropolluants organiques (hors pesticides)
Cette catégorie de polluants comprend les hydrocarbures, les solvants chlorés, les détergents, les produits pharmaceutiques ou les PCB. Plusieurs procédés sont appliqués pour les éliminer, notamment l’oxydation par l’ozone, le stripping pour les composés volatils, l’adsorption sur charbon actif ainsi que la filtration membranaire.
Le traitement de l’eau en chiffres en France : 66% des volumes captés proviennent de ressources souterraines et 34% d’eaux de surface. Il existe
33 500 captages pour produire chaque jour 19 millions de m3 d’eau
22 250 captages bénéficient d’une protection avec Déclaration d’Utilité Publique
16 300 stations de traitement d’eau potable assurent la production d’eau potable Les eaux brutes subissent un traitement plus ou moins poussé selon leur qualité, !
83% des stations de traitement font appel à des systèmes de traitement simples traitant 50,8 % des débits d’eau brute.
!
12% des stations de traitement font appel à des systèmes de traitement poussés traitant 48,6 % des débits d’eau brute.
!
5% des stations de traitement font appel à des systèmes de traitement sans désinfection traitant 0,5 % des débits d’eau brute.
25 300 UDI, unités de distribution (UDI correspond à un ensemble de canalisations de distribution d’eau potable) alimentent la population Française. La majorité des UDI dessert des secteurs faiblement peuplés, !
80 % des UDI alimentent moins de 2 000 habitants, soit 12% de la population.
!
Inversement, 9 % des UDI, desservant de 5 000 à 50 000 habitants et plus, alimentent plus de 75 % de la population
Source : Ministère chargé de la santé – ARS – SISE Eaux 2012 !"#$%&$ ()*+ , -&./$& 01%.23$45/%3. 67$ 81&57 -$"0%/ 9:3/3 ; <:%.=6/3>= ?95@& 0& >37#&$/7$&A , B8876/$5/%3.6 ; CD&5 -3447.%>5/%3.
