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La qualité de l'eau et l'assainissement en France (rapport)

18 mars 2003 : Qualité de l'eau et assainissement en France (rapport) ( rapport de l'opecst )

 

 

2. Les procédés de traitements

Comment passer d'une eau « brute » à une eau destinée à la consommation ? La qualité des eaux superficielles détermine les traitements nécessaires à la production d'eau destinée à la consommation humaine. Ces traitements, présentées en annexe (68(*)), sont classés en trois catégories :

A1 - traitement physique simple et désinfection

A2 - traitement physique et chimique normal avec désinfection

A3 - traitement physique et chimique poussé avec affinage et désinfection.

a) Les procédés physiques de base

Il s'agit des procédés utilisés presque systématiquement. L'essentiel repose sur des processus de filtration Les procédés physiques comprennent le dégrillage qui arrête les gros déchets, le tamisage qui est un filtrage plus fin, la décantation qui consiste à laisser déposer la matière sous l'effet de la gravité, et la filtration réalisée sur des matériaux classiques ou adsorbants.

La filtration consiste à faire passer l'eau au travers d'un filtre, à mailles de plus en plus fines. Les particules sont donc retenues par le filtre, soit en surface, soit adsorbé par les grains du filtre. Le filtre le plus classique est un filtre à sable.

La filtration suit plusieurs étapes : Le filtre le plus grossier, dit « dégrossisseur », est d'un diamètre de l'ordre de 3 mm de diamètre. Il élimine les macro particules. Le temps de passage est de l'ordre de 5 minutes. Un filtre plus fin, dit « pré-filtre » de l'ordre de 1 mm de diamètre permet d'éliminer 90 % de colloïdes. Le temps de passage est de l'ordre de 10 minutes. Le filtre, dit « bassin filtrant » est constitué d'une couche de sable très fin, de l'ordre de 0,5 mm de diamètre, sur 60 cm de hauteur. Le temps de passage est de l'ordre de 6 à 12 heures. Le temps d'écoulement est suffisamment long pour que les bactéries se fixent sur le sable. Elles vont utiliser les substances arrêtées par le sable pour se développer, et par conséquent, commencer à éliminer une part de substances dissoutes. Le sable est en quelque sorte colonisé par les bactéries, qui vont développer une couche dite « membrane biologique ». Ces filtrations n'ont pas arrêté les micropolluants restant en solution dans l'eau.

Tous les filtres doivent être soigneusement entretenus. Un filtre non entretenu est non seulement inutile mais aussi potentiellement dangereux car il permet une prolifération bactérienne. Le nettoyage est une opération délicate. Le nettoyage par injection d'air et d'eau remet en suspension les microorganismes, mais peut aussi entraîner un mélange entre le sable et les particules, et la phase de redémarrage est l'une des plus délicates.

b) Les procédés chimiques de base

La désinfection est une étape commune à tous les traitements. Elle consiste à éliminer les germes pathogènes qui peuvent être présents dans l'eau brute. Elle est réalisée principalement par trois agents désinfectants : le chlore, le bioxyde de chlore et l'ozone.

Le chlore est un produit très utilisé pour la désinfection des eaux dans la plupart des pays, notamment aux Etats-Unis, dans les pays en développement ou dans les pays à petites unités de distribution. L'Allemagne ne pratique pas la chloration et préfère un traitement aux ultraviolets mais cela suppose une eau parfaitement claire. En France, les grandes unités utilisent également un traitement à l'ozone mais cette technologie est plus complexe et plus coûteuse. Le traitement au chlore est accessible aux petites unités de distribution rurales (un flacon peut être déversé dans les stations de distribution les plus modestes).

Cette désinfection opère principalement par oxydation : le chlore ou l'ozone agit sur les métaux, sur les matières organiques et détruit ou inactive les bactéries.

c) Les procédés physico chimiques 

La clarification peut aussi prendre la forme d'une opération dite de « coagulation floculation décantation». Elle a pour objet d'assurer la coagulation des matières colloïdales. Une fois que la coagulation est opérée, les matières floculent et tombent au fond du bassin. Cette coagulation est assurée par un apport de sels minéraux qui génèrent, outre la coagulation des particules, des sortes de flocons -dit floc- qui « ramassent » les particules coagulées et qui tombent lentement.

La clarification consiste à éliminer les matières en suspension, générant la turbidité de l'eau et/ou sa couleur. Ces matières en suspension sont présentes dans l'eau sous forme colloïdale, c'est-à-dire de micro particules, qui absorbent la plus grande partie de la pollution chimique ou microbiologique. L'élimination des matières en suspension n'est pas à elle seule suffisante pour garantir une eau de qualité, puisqu'elle n'a aucune incidence en particulier sur les matières dissoutes (nitrates, pollutions chimiques par les pesticides...) mais elle est une condition nécessaire.

d) Les procédés physiques poussés : les membranes

Le filtre traditionnel est le sable. Les traitements de rétention membranaire, quant à eux, font appel à des filtres constitués de polymères ou de fines poudres métalliques dont la porosité est très faible. Elles permettent donc de retenir les bactéries. Les membranes sont des fibres creuses et poreuses à base de cellulose ou de poudre métalliques. Tandis que les filtres classiques à sable sont des filtres superposés (l'eau s'infiltre par percolation), les filtres à membranes sont sous forme de cylindres verticaux. L'eau, sous pression, se répartit le long des fibres et traverse la paroi poreuse. Les filtres se distinguent par la taille des pores de la membrane Le tableau ci-dessous illustre les différents procédés membranaires et les contaminants qui peuvent être arrêtés par chacun d'eux (69(*)).

e) L'affinage

Les bactéries et les virus n'ont pas été arrêtés par la filtration (sauf par l'ultra filtration membranaire et l'osmose inverse). Leur élimination suppose donc une troisième étape, dite affinage.

L'affinage a lieu par réaction chimique, par ozonation, gaz oxydant qui va permettre de réduire considérablement, d'« abattre » le nombre de germes. Le gaz est produit par décharge électrique dans de l'air ou de l'oxygène introduit dans l'eau. L'ozone a un double rôle, de désinfectant et d'oxydant. Il va transformer les substances dissoutes dans l'eau et non biodégradables en substances biodégradables.

L'affinage peut aussi avoir lieu par un procédé physico chimique : le traitement par charbon actif. Le charbon actif est une sorte de charbon de bois (fabriqué à partir de produits carbonés minéraux (houille) ou végétaux (noix de coco...), calciné à très haute température et haute pression, produisant un composé carboné à très haut pouvoir adsorbant, composé de milliers de micro infractuosités, (un gramme de charbon représente une surface de 6 m2, un gramme de charbon actif présente une surface de 1.000 m2 à 1.500 m2, soit une surface équivalente à huit terrains de tennis). Il reste alors une sorte de squelette de carbone extrêmement poreux qui peut retenir, par effet de paroi, des minuscules molécules. C'est notamment le cas des pesticides, mal détruits par l'ozonation, mais qui vont se « coller » sur le charbon actif (Aux Antilles, par exemple, un m3 de charbon actif traitant 15.000 m3 d'eau récupère 32 grammes de chlordecone).

Le charbon actif peut être utilisé de deux façons :

- soit en poudre : il est retiré très vite après son utilisation.  Un à deux jours pour les systèmes couplés à une étape de clarification ; un à deux mois pour les nouveaux réacteurs à charbon actif en poudre;

- soit en grains : dans des filtres ; il peut dans ce cas rester des années avant d'être régénéré ou changé

Le charbon actif est très efficace mais coûteux et doit être changé périodiquement.

f) Les traitements spécifiques

Les métaux lourds présents dans les eaux brutes d'origine naturelle, et en provenance de l'industrie ou des villes sont éliminés par décantation, dès lors qu'ils se présentent sous une forme insoluble. Cette opération passe par l'utilisation d'un oxydant.

L'ammoniaque est éliminée par un traitement biologique qui consiste à développer des bactéries sur un lit filtrant qui permet l'oxydation de l'ammonium en nitrites, et l'oxydation des nitrites en nitrates.

Les nitrates sont éliminés soit par dénitrification avec utilisation d'un substrat carboné, soit par échange d'ions. La dénitrification biologique met en jeu des microorganismes qui ont la propriété d'utiliser l'oxygène des nitrates. Il peut s'agir d'une résine « échangeuse d'ions »  qui adsorbe les ions nitrates et libère en échange des ions chlorures...

Les pesticides comme les autres micro polluants sont éliminés soit par utilisation de charbon actif, soit par des procédés d'oxydation notamment par ozone.

* (68) Annexe 68 - Les procédés de traitements de l'eau destinés à la consommation humaine.

* (69) Annexe 69 - Les membranes et l'eau potable.