Des traitements sophistiqués

Par le Centre d'information sur l'eau, le lundi 24 mars 2014 17:38

Disposer d'eau potable 24H sur 24 à domicile est un confort qui exige des savoir-faire multiples et complexes pour traiter, acheminer et garantir la qualité de l'eau jusqu'à nos robinets. L'eau subit de nombreux traitements utilisant des technologies très avancées qui différent selon la nature et la qualité de la ressource.
Chaque année, 15 300 usines d'eau potable produisent 6 milliards de m3 d'eau.

Des traitements sophistiqués

Usine d'eau potable de Méry-sur-Oise, nanofiltration
© Laurent Mignaux/METL-MEDDE/Sedif

Des traitements multiples adaptés à la qualité de la ressource en eau

Surveillée et protégée, la ressource en eau, recueillie à partir de différents captages, ne représente qu'une matière première qui va être transformée, élaborée, pour devenir conforme aux normes définies par la réglementation. C'est le rôle des chaînes de traitement mises en œuvre par les entreprises de service de l'eau. La provenance de l'eau (cours d'eau, nappe souterraine) et la qualité sanitaire qui en découle influencent la complexité des traitements pour rendre l'eau potable :

• 33 % des eaux distribuées reçoivent un traitement simple de filtration et de désinfection ;
• 22 % des eaux distribuées reçoivent un traitement physico-chimique avec désinfection ;
• 25 % des eaux distribuées reçoivent un traitement complet avec traitement physico-chimique poussé, affinage (charbons actifs ou membranes) et désinfection.

(source : SOeS-SSP 2008)

Ils doivent être évolutifs pour suivre les éventuels changements des caractéristiques de la ressource ou le renforcement de l'exigence des normes encadrant la qualité de l'eau distribuée. Il existe un certain nombre de procédés élémentaires de traitement que le professionnel de l'eau peut combiner de manières très diverses en fonction de chaque ressource. En outre, chaque processus pourra changer de rôle en fonction de la place qu'il occupe dans la filière du traitement et de la façon dont il est mis en œuvre.

On ne peut donc pas prétendre décrire de façon à la fois simple et complète les différents procédés et filières de traitement. On peut cependant proposer une classification générale des procédés de base et une description des étapes les plus courantes du traitement.

Le mot traitement est souvent associé à l'idée de produits chimiques. Or, dans les faits, le traitement de l'eau fait appel pour une très large part à des processus naturels ou biologiques : filtrations, décantations, utilisation de cultures bactériennes. Les traitements chimiques sont essentiellement des traitements de désinfection par le chlore ou l'ozone.

Les procédés de base peuvent être classés en plusieurs catégories :

• procédés physiques (dégrillage, tamisage, décantation, filtration, flottation)
• procédés physico-chimiques (coagulation/floculation)
• procédés chimiques (oxydation, échange d'ion sur résine, procédés de neutralisation ou d'acidification)
• procédés biologiques (cultures bactériennes appropriées)

Les prétraitements

Le dégrillage et le tamisage arrêtent les déchets grossiers, les déchets plus petits, le sable et le plancton.

Pour les eaux particulièrement chargées, une pré-décantation est nécessaire pour séparer les matières en suspension (argile, limons...).

La préoxydation, oxydation par l'ozone permet d'éliminer l'azote ammoniacal, 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 assure l'élimination des particules en suspension (sable, limon, débris organiques...), des matières colloïdales (argiles fines, bactéries...) et d'une partie des matières dissoutes (matières organiques, sels...). La clarification combine différents procédés :

• La coagulation-floculation : l'adjonction d'un coagulant provoque la déstabilisation des colloïdes (particules solides de si petite taille qu'elles se répartissent de façon homogène) et forme des agrégats de taille suffisante pour être séparés de l'eau. Les réactifs utilisés sont le sulfate d'alumine, le chlorure ferrique ou le sulfate ferreux. 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 ».

• La séparation solide/liquide par décantation ou flottation : l'extraction des flocs se fait soit par décantation (le floc se dépose au fond de la cuve de décantation) ou à l'inverse par flottation (les flocs remontent à la surface en utilisant de l'air sous pression). Les flocs sont ensuite récupérés par raclage.

• La filtration : c'est l'élimination des particules invisibles, en suspension. Cette filtration s'effectue le plus souvent sur une couche de sable. La filtration sera d'autant plus efficace que les grains seront fins.
L'usage d'une couche de sable très fin, permet un écoulement plus lent pour favoriser le développement d'un biofilm (voile d'algues ou de bactéries) à la surface du sable. L'activité épuratrice de ce bio film permet la dégradation de la matière organique.

L'affinage

Les traitements d'affinage de l'eau ont pour effet d'éliminer les matières organiques et de certains micropolluants. Il améliore les qualités organoleptiques de l'eau (saveur, odeur, limpidité) :

• L'adsorption (phénomène par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces) sur charbon actif : les charbons actifs sont capables de fixer les composés organiques dissous qui ont échappé aux traitements physico-chimiques ainsi que certains micropolluants (hydrocarbures, pesticides, métaux lourds...). On les obtient par traitement spécial de charbons naturels (anthracite, tourbe) ou de végétaux (bois, noix de coco) ;

• Le stripping : pour extraire les gaz dissous dans l'eau, on applique un contre-courant de gaz d'entraînement. Le stripping retient les composés volatils (benzène, trihalométhane, composés soufrés responsables d'odeurs...) ;

La filtration par membranes

La filtration membranaire est un procédé physique qui complète ou remplace l'étape de clarification. L'eau circule sous pression à travers des membranes. Celles-ci sont constituées de longues fibres creuses et poreuses d'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. Ces procédés sont classés selon le diamètre des pores sur les parois des fibres. Les membranes de microfiltration (de l'ordre de 100 nanomètres. 1 nanomètre = 1 milliardième de mètre) permettent la rétention des bactéries, des parasites, des levures, des particules à l'origine de la turbidité (eau trouble en raison de matières en suspension).

Les membranes d'ultrafiltration (de l'ordre de 10 nanomètres) arrêtent en plus les virus, les colloïdes. Les membranes de nano filtration (de l'ordre de 1 nanomètre) retiennent le calcium et la plupart des pesticides. Enfin, l'osmose inverse utilise des membranes plus denses (de l'ordre de 0,1 nanomètre) qui stoppent aussi les ions métalliques. Cette dernière technique est appliquée au dessalement de l'eau de mer et à la production d'eau ultra pure et d'eau de processus.

La désinfection

La désinfection est commune à tous les traitements. Elle a pour but de neutraliser les virus et bactéries pathogènes. Elle est réalisée par des agents désinfectants (chlore, dioxine de chlore ou ozone), par traitement aux ultra-violets ou par procédés physiques comme la filtration sur membranes. Comparée au chlore, l'ozone permet une bonne désinfection, sans risque de sous-produits chlorés ni de défaut de goût, mais il n'est pas pérenne. Une fois traitée, l'eau doit voyager dans les canalisations pour atteindre les robinets. Si aucune désinfection finale n'était prévue, la qualité de l'eau pourrait se dégrader. C'est pourquoi on ajoute une infime quantité de chlore (équivalente à une goutte pour 1000 litres) pour détruire les dernières bactéries et préserver la qualité de l'eau tout au long de son parcours dans les canalisations.

Le traitement final prend également en compte la protection des réseaux et des tuyauteries. La mise à l'équilibre calco-carbonique permet d'éviter les problèmes d'entartrage ou de corrosion des tuyauteries, l'eau doit être la plus proche possible de l'équilibre en bicarbonate de calcium, CO2 et carbonate de calcium. Les eaux agressives (insuffisamment minéralisées) sont neutralisées ou reminéralisées alors que les eaux incrustantes (trop minéralisées) sont soumises à une décarbonatation.

Les traitements spécifiques

La plupart des polluants visées par les normes de qualité de l'eau du robinet sont éliminées à l'une ou l'autre des étapes du traitement. D'autres exigent cependant des traitements spécifiques.

A l'exception du fer et du manganèse qui sont présents dans la nature, la plupart des métaux lourds qu'on trouve dans les ressources en eau proviennent des rejets industriels. Ils y sont généralement présents sous forme ionique, et sont liés à des matières organiques. Pour les éliminer au cours de la phase de décantation/filtration, il faut les rendre insolubles. La technique mise en oeuvre à cet effet consiste à augmenter le pH avant filtration en même temps qu'on utilise un oxydant. Cette opération les transforme en hydrates insolubles. Le chrome exige une étape supplémentaire de traitement pour passer sous sa forme insoluble et être éliminé. Le fer et le manganèse sont les métaux dont la présence est la plus fréquente, notamment dans les eaux souterraines. Ils font de plus en plus fréquemment l'objet d'un traitement biologique, fondé sur la capacité de certaines bactéries à produire des enzymes qui favorisent l'oxydation de ces métaux par l'oxygène de l'air. Cette oxydation permet de les éliminer par décantation ou par filtration.

L'ammonium a pour origine la décomposition naturelle des matières organiques d'une part et l'emploi d'engrais d'autre part. 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.

Différents procédés de traitement sont homologués par le ministère de la santé. Les deux principaux traitements utilisés sont :

• la dénitratation par résines échangeuses d'ions : l'eau à traiter traverse des résines. Les ions nitrates sont échangés par des ions chlorures fixés sur la résine. L'eau dénitratée est mélangée à de l'eau brute dans une proportion qui permet de respecter les objectifs de qualité ;

• la dénitrification biologique : elle utilise des micro-organismes cultivés en usine et qui agissent comme dans le milieu naturel, en transformant les nitrates en azote gazeux.

Parmi les très nombreux pesticides utilisés par l'agriculture (mais aussi par les particuliers, les collectivités locales...), les pesticides azotés de la famille des triazines sont les plus préoccupants. Les traitements "classiques" éliminent 50 % de l'atrazine (pourtant interdite depuis 2003) et de la simazine. Pour atteindre le taux fixé par les normes, il faut recourir à des traitements spécifiques. On élimine ces pesticides en les traitant soit par adsorption sur charbon actif.

La catégorie des micropolluants organiques comprend notamment les solvants chlorés (exemple : le trichloréthylène) et les hydrocarbures. Trois groupes de procédés sont utilisés pour les éliminer :

• le "stripping" (ou aération forcée des molécules volatiles) consiste à transférer dans l'air les composés organiques devenus volatils. Cette opération peut être effectuée en simple cuve d'aération, mais on obtient de meilleurs résultats dans un appareil spécifique, nommé tour d'aération ; l'air ainsi chargé d'éléments indésirables est ensuite filtré avant d'être rejeté dans l'atmosphère ;

• l'adsorption sur charbon actif (en poudre avant la phase de floculation, en grains comme matériau filtrant), qui permet d'éliminer un plus grand nombre de micropolluants que le stripping, mais dont le coût est supérieur.

Pour comprendre les traitements de l'eau potable en un clin d'œil

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 peur changer de rôle en fonction de la place qu'il occupe dans la filière du traitement. On ne peut donc pas prétendre illustrer de façon à la fois simple et complète les différents procédés et filières de traitement. On peut cependant proposer une description des étapes les plus courantes du traitement.

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© Centre d'information sur l'eau – Graphiste : Alain Bittar / Cliquez pour agrandir.

1. Captage
Dans un premier temps, l'eau est captée à partir de ressources superficielles ou souterraines puis conduite par une canalisation jusqu'à l'usine de potabilisation.

2. Dégrillage
Dés la prise d'eau, l'eau passe à travers des grilles pour arrêter les corps flottants et les gros déchets.

3. Tamisage
C'est un filtrage plus fin, à travers des tamis destinés à arrêter les déchets plus petits, sable, plancton...

4. Floculation - Décantation
Cette étape permet d'éliminer 90% des matières en suspension. Ainsi, après avoir versé un produit coagulant dans l'eau, - procédé permettant d'agréger les matières en suspension –, les impuretés se regroupent et forment de petits paquets « les flocs » qui tombent au fond du bassin de décantation.

5. Filtration
Elle contribue à l'élimination des particules en suspension invisibles mais encore présentes. La filtration est réalisée sur des matériaux classiques (sable) ou adsorbants (charbon actifs en grain ou en poudre).
Dans certaines installations, on utilise des membranes capables de filtrer les particules d'une taille infime (microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration).

6. Désinfection / Ozonation
L'étape essentielle de désinfection est commune à toutes les filières, elle a pour but de neutraliser les virus et les bactéries pathogènes ; on injecte dans l'eau de l'ozone (gaz). Parfois on utilise les ultraviolets.

7. Traitement spécifique
Adsorption sur charbon actif. Traitement d'affinage permettant d'éliminer les matières organiques et améliorant les qualités organoleptiques de l'eau (saveur, odeur, limpidité).

8. La chloration
Une fois traitée, l'eau doit encore voyager dans les canalisations pour atteindre les robinets. L'ajout d'une infime quantité de chlore préserve la qualité de l'eau tout au long de son parcours dans les canalisations.

9. Une fois rendue potable, l'eau est envoyée dans des réservoirs où elle est stockée avant d'être acheminée par un réseau de canalisations souterraines dans les habitations.

Extrait vidéo : Aqua ça sert / Chapitre 3 : Le traitement de l'eau avant distribution

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