traitement des eaux
Ensemble des techniques permettant d'éliminer les contaminants d'une eau d'origine urbaine ou industrielle.
EAUX ET ASSAINISSEMENT
Introduction
Contrairement aux autres matières premières, l'eau n'est pas une ressource limitée sur notre planète : son flux est constamment renouvelé. L'immense réservoir des mers et océans recouvre environ 72 % de la surface du globe. S'évaporant dans l'atmosphère, l'eau se condense et retombe avec les précipitations, qui alimentent les sources, les rivières, les lacs et enfin les mers. La majeure partie s'évapore de nouveau ; le restant ruisselle et s'infiltre dans le sol, où il peut former des nappes phréatiques. Tel est le cycle de l'eau.
La gestion des ressources en eau se heurte aux inégalités de sa répartition naturelle. Elle n'est pas toujours disponible là où on en a besoin, ni quand on en a besoin. Sécheresses et crues déséquilibrent l'approvisionnement, de façon généralement imprévisible. En outre, elle n'a que rarement la qualité nécessaire à ses diverses utilisations : agriculture, industrie, consommation humaine. Elle est généralement souillée par des sels minéraux, des substances organiques et des micro-organismes. Beaucoup de ces éléments sont inoffensifs pour l'organisme humain, parfois même bénéfiques à faible concentration ; mais, en règle générale, l'eau doit subir un traitement préalable, d'autant plus que de nombreux cours d'eau sont pollués. Les stations d'épuration sont donc nécessaires à tout réseau d'approvisionnement.
Bien qu'abondante à la surface de la Terre, l'eau est une richesse rare, non seulement dans les régions arides, mais aussi dans les pays de la zone tempérée. Selon les estimations, chaque individu consomme, directement ou pour ses besoins domestiques (nourriture, cuisine, bain, lavages, entretien, etc.), de 60 à 100 litres d'eau par jour. L'eau est indispensable à l'agriculture, la surface totale des terres irriguées étant estimée à 230 millions d'hectares. Les installations industrielles consomment, elles aussi, de grandes quantités d'eau. L'accroissement démographique, les grandes concentrations urbaines et l'essor industriel ont suscité des besoins grandissants en eau qui se traduisent par la construction d'ouvrages d'adduction et de stations d'épuration et de traitement, et par la recherche de nouvelles ressources, comme le dessalement de l'eau de mer.
Les principales ressources
La plus grande partie des eaux terrestres est salée. Les océans et les mers totalisent, en effet, environ 1,3 milliard de km3, alors que les eaux douces ne comptent que pour quelque 40 millions de km3. Toutefois, la majorité de ces dernières est emprisonnée dans les calottes polaires et les glaciers et demeure donc inaccessible à l'homme. Reste essentiellement disponible l'eau des précipitations qui s'écoulent à la surface du sol ou s'y infiltrent et s'y accumulent, constituant les deux ressources principales : eaux superficielles (rivières, lacs, étangs) et eaux souterraines (nappes phréatiques). L'eau de mer est devenue une nouvelle ressource grâce à la mise au point de techniques de dessalement de plus en plus élaborées. Enfin, les eaux de pluie peuvent devenir des ressources d'appoint non négligeables.
Une simple canalisation suffit pour capter les eaux de surface. Mais celles-ci ont l'inconvénient d'avoir un débit irrégulier et d'être sensibles à la pollution. L'industrie humaine y remédie par la construction de barrages et de citernes qui accumulent des réserves pendant les périodes de crues. Les débits sont ainsi régularisés et la continuité de l'approvisionnement est assurée pendant les sécheresses. Quant à la pollution, provoquée par les rejets domestiques et industriels, les effluents toxiques des engrais chimiques et des insecticides, elle nécessite de coûteuses installations de traitement préalable.
Les nappes phréatiques rassemblent des eaux qui se sont infiltrées dans des zones de terrains perméables jusqu'à ce qu'elles aient été arrêtées par une couche imperméable. Elles ont donc été filtrées. Ainsi, la qualité de ces eaux est déterminée par la nature du terrain où elles se trouvent. Une nappe aquifère, emprisonnée entre deux couches imperméables, est une nappe captive, généralement soumise à une forte pression. Un forage suffit pour créer un puits artésien. Afin de ne pas épuiser certaines nappes souterraines, celles-ci sont alimentées artificiellement par l'injection d'eaux usées régénérées ou d'eaux de pluie recueillies dans des bassins.
Le transport de l'eau
Entre le site de son captage et le lieu de son utilisation, l'eau doit être acheminée par des ouvrages hydrauliques, aqueducs, canaux et canalisations parfois géantes. Les grandes agglomérations humaines aussi bien que les zones agricoles ont soif d'eau, non seulement dans les régions déshéritées, mais partout où des sécheresses sont à craindre ; les barrages, qu'ils soient de grands ouvrages d'art ou de simples retenues collinaires, renforcent le débit en saison sèche, garantissant un approvisionnement constant dans le temps.
En plaine, le réseau d'acheminement est constitué de canaux ou aqueducs à écoulement libre ; en terrain à fortes dénivellations, l'eau circule sous pression dans des conduits en charge. Mais les ouvrages sont généralement mixtes : canaux dans les zones à relief uniforme, conduits avec stations de relevage ailleurs. Les grands réseaux interconnectés acheminent l'eau des points de puisage aux lieux d'utilisation. La régulation entre régions se fait par transfert entre bassins ou même entre pays. À l'arrivée, des réservoirs tampons assurent les fonctions de distribution et de régulation des différents débits sur tout le territoire de consommation. En ville, d'autres réservoirs et un réseau de distribution ramifié de diamètre décroissant assurent l'alimentation de chaque habitation. La demande étant sujette à fluctuations, l'adduction est fractionnée en biefs séparés par des chambres qui assurent la régularisation des débits.
L'agriculture fait largement appel à l'irrigation. Sur plus de 80 % des terres cultivées, l'eau est distribuée par un réseau de canaux secondaires où elle ruisselle naturellement le long des pentes du terrain. Une autre méthode est l'aspersion par rampes, avec matériel souvent automatisé. Dans beaucoup de régions arides est utilisée la méthode d'irrigation au goutte à goutte. L'eau est acheminée avec un débit très faible vers un ensemble de microdiffuseurs disposés sur le sol, qui maintiennent autour de chaque plante une plage d'humidité permanente, tout en réalisant une importante économie d'eau.
La qualité de l'eau
Chaque usage de l'eau – industriel, agricole ou domestique – impose une qualité particulière, définie par des paramètres physiques, chimiques et bactériologiques, c'est-à-dire la teneur en sels minéraux, gaz dissous et micro-organismes.
La turbidité d'une eau caractérise sa teneur en matières en suspension ; le degré hydrotimétrique, sa dureté. Une eau est dure lorsqu'elle est trop riche en sels de calcium et de magnésium. Elle rend le lavage difficile, cuit mal les légumes et laisse des dépôts de tartre. Une eau saumâtre contient de 1 à 10 g de sulfates et de chlorures par litre (pour mémoire, l'eau de mer en contient en moyenne 35 g/l). Parmi les gaz dissous dans l'eau, le gaz carbonique lui confère, suivant sa concentration, un caractère agressif ou acide. Trop agressive, l'eau peut devenir corrosive et attaquer les canalisations métalliques.
La présence d'hydrogène sulfuré – qui est normale dans certaines sources thermales – peut être responsable de la corrosion des ouvrages en béton.
L'eau potable
Par ruissellement ou percolation, l'eau se charge de matériaux dissous ou en suspension qui diffèrent eux-mêmes selon les sols traversés. Plus les eaux souterraines sont profondes, plus elles sont pures ; elles sont généralement exemptes de germes, mais leur concentration en éléments minéraux peut être élevée et imposer un traitement. Les eaux de surface sont, en revanche, presque toujours contaminées ; elles contiennent des bactéries, des germes pathogènes ou des virus ; elles peuvent être polluées par des composés toxiques provenant de rejets industriels ou domestiques.
Par définition, l'eau potable doit être dépourvue de tout élément minéral ou organique nuisible à la santé ; elle doit répondre à certaines normes fixées par des textes législatifs et à certains critères qualitatifs : être incolore, fraîche, sans odeur ni goût (ou avoir éventuellement une légère saveur due à des sels minéraux). L'eau potable ne doit contenir ni micro-organismes pathogènes ni substances toxiques (cuivre, plomb, fluorures, cyanure, arsenic, composés phénoliques, etc.). Sa concentration en certaines substances chimiques (sels minéraux, ammoniaque, nitrites, nitrates, chlorures, matières organiques) doit être limitée.
Pour en savoir plus, voir l'article eau minérale.
Le traitement des eaux
Qu'elles soient résiduaires, superficielles ou souterraines, il est indispensable de traiter les eaux afin de les rendre propres à tel ou tel usage. Lorsque la prise est effectuée dans une rivière ou un lac, un prétraitement débarrasse l'eau des matières grossières par passage à travers des grilles. Celui-ci est parfois complété par un tamisage pour éliminer des particules en suspension et clarifier l'eau. Elle est ensuite décantée dans des canaux où elle s'écoule à une vitesse contrôlée. Ces opérations sont complétées par une aération, afin de l'oxygéner.
Après cette première phase, l'eau contient encore des corps colloïdaux et des substances dissoutes qui n'ont pas encore été éliminés. Elle subit alors un traitement chimique avec des coagulants et des floculants (sulfate d'aluminium ou silice activée). Ils forment avec ces substances des flocons et des agglomérats qui sont ensuite éliminés. En complément, des lits de percolation (couches de matériaux granuleux) adsorbent des sels minéraux comme ceux du fer et du manganèse. Les matières organiques et les virus sont détruits par stérilisation par le chlore. Parfois, il est nécessaire de recourir à l'ozone, au pouvoir oxydant très fort, pour une stérilisation plus efficace. Quant au charbon actif, connu pour sa capacité d'adsorption, il a la propriété de supprimer les goûts et les odeurs.
L'épuration biologique met à profit l'action de micro-organismes qui éliminent des produits toxiques (soufre, arsenic, phénols). Le lagunage fait agir l'auto-épuration, naturellement à l'œuvre dans les lacs : dans des bassins peu profonds, à l'air libre, l'eau est épurée par l'action des micro-organismes. Le procédé des boues activées consiste à faire séjourner l'eau dans des cuves ensemencées de bactéries. Il en résulte la formation de « boues », composées d'agglomérats de matières organiques, minérales et de micro-organismes. Enfin, l'eau peut aussi être percolée par passage à travers un lit bactérien de couches de supports granuleux sur lesquels se développent les micro-organismes qui adsorbent et métabolisent les substances polluantes.
Le dessalement de l'eau de mer
La demande croissante en eau, notamment pour les besoins de l'irrigation, dans certaines régions déshéritées, a poussé au développement de procédés pour le dessalement de l'eau de mer et des océans, ainsi que de l'eau saumâtre des nappes et des lagunes. Il existe différentes méthodes. Elles sont toutes onéreuses.
Dessalement de l’eau de mer par distillation
La distillation, la plus ancienne et la mieux connue de ces méthodes, consomme de grandes quantités d'énergie pour réchauffer l'eau. Elle consiste à faire passer l'eau salée par plusieurs étages d'évaporation et de condensation.
Dessalement de l’eau de mer par électrodialyse
Dans le procédé d'électrodialyse, l'eau salée est placée dans une cuve à électrolyse. Le courant électrique dissocie les molécules de sel (NaCl) en cations Na+ et anions Cl− qui sont respectivement attirés par les deux électrodes opposées. La cuve est en outre compartimentée par deux membranes semi-perméables, l'une aux cations, l'autre aux anions. L'eau douce est récoltée entre ces deux membranes sélectives qui jouent le rôle de « clapets à ions ».
Dessalement de l’eau de mer par osmose inverse
Le principe de l'osmose inverse consiste à comprimer l'eau à travers une membrane perméable aux seules molécules d'eau à l'exclusion des sels, à une pression supérieure à sa pression osmotique. Ce procédé reste toutefois délicat à appliquer à cause de la fragilité de ces membranes.
Dessalement de l’eau de mer par congélation
Parmi les autres procédés, il convient de citer la congélation, qui utilise la propriété de l'eau pure de former des cristaux de glace avant l'eau salée.
