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22 novembre 2017 14:37:00
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Les procédés classiques de traitement des eaux

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Les Procédés physico-chimiques

Le traitement d’une eau brute dépend de sa qualité, laquelle est fonction de son origine et peut varier dans le temps. L’eau à traiter doit donc être en permanence analysée car il est primordial d’ajuster le traitement d’une eau à sa composition et, si nécessaire, de le moduler dans le temps en fonction de la variation observée de ses divers composants. Il peut arriver cependant qu’une pollution subite ou trop importante oblige l’usine à s’arrêter momentanément.

Le traitement classique et complet d’une eau s’effectue en plusieurs étapes dont certaines ne sont pas nécessaires aux eaux les plus propres.

L’oxydation : si les eaux à traiter contiennent beaucoup de matières organique, ou encore de l’ammoniaque, du fer ou du manganèse, une étape d’oxydation préalable est nécessaire. Elle permet d’éliminer plus facilement ces substances au cours de l’étape suivante dite de clarification. On utilise pour cela un oxydant comme le chlore ou l’ozone.

La clarification : la clarification permet l’élimination des particules en suspension. Après son passage à travers des grilles qui retiennent les matières les plus grosses, l’eau est acheminée dans des bassins dits de décantation. Là, sous l’effet de leur poids, les particules gravitent vers le fond où elles se déposent. L’eau décantée est ensuite filtrée à travers une ou plusieurs couches d’un substrat granulaire, comme du sable, qui retient les particules résiduelles, les plus fines.

Pour faciliter cette étape, et en particulier éliminer les particules en suspension de très petites tailles, l’ajout d’un produit chimique (un coagulant) permet à ces particules de s’agglomérer. Plus grosses et plus lourdes, les nouvelles particules sont plus facilement décantées et filtrées. On appelle ce procédé la coagulation/floculation.

La désinfection : en fin de traitement, la désinfection permet l’élimination des micro-organismes pathogènes (bactéries et virus). On utilise pour cela soit un désinfectant chimique comme le chlore ou l’ozone, soit des rayonnements ultraviolets.

Il est important que ce traitement persiste tout au long du réseau afin qu’aucun germe ne puisse se développer dans les canalisations où l’eau peut séjourner plusieurs jours.

Enfin, si besoin est, la dureté et l’acidité de l’eau sont corrigées afin de protéger les canalisations de la corrosion ou de l’entartrage.

Lorsque cette chaîne traditionnelle de traitement ne suffit pas, ce qui est de plus en plus souvent le cas, compte tenu de la présence de quantités croissantes de certains polluants comme les nitrates et les pesticide, certains traitements spécifiques sont appliqués.

Le procédé d’adsorption sur charbon actif notamment permet d’éliminer, après un éventuel traitement d’oxydation, des polluants organiques dissous comme certains pesticides ou hydrocarbures. Le charbon actif est utilisé soit sous forme de poudre lors de la floculation, soit en grains dans d’épais lits de filtration. Les molécules organiques, dont la taille a été réduite lors de l’oxydation, pénètrent et se fixent dans les pores du charbon actif. On utilise aussi parfois un charbon actif dit biologique, lequel possède, adsorbées sur ses parois, des micro-organismes grands consommateurs de matières organiques biodégradables. L’intérêt d’un tel procédé est qu’il permet d’extraire des micropolluants organiques sans employer de produits chimiques.

D’autres techniques ont également été développées en raison de l’augmentation de la teneur en nitrates des eaux brutes. Sont utilisées aujourd’hui dans certaines unités, la dénitratation au moyen de résines échangeuses d’ions qui permettent de remplacer l’ion nitrate par un autre ion sans danger, comme l’ion chlorure ou l’ion carbonate, ou la dénitrification biologique (utilisant des bactéries) qui permet de transformer l’ion nitrate en azote gazeux.

Si tous ces procédés permettent bel et bien d’améliorer significativement la qualité des eaux brutes, l’usage de réactifs chimiques ne va pas sans poser certaines difficultés. C’est le cas par exemple de l’usage du chlore comme désinfectant, longtemps considéré pourtant comme une véritable panacée. En effet, en réagissant avec certaines molécules organiques, le chlore peut voir sa concentration dans l'eau diminuer rapidement sur le réseau de distribution, ce qui peut favoriser le développement de micro-organismes. Par ailleurs, ces réactions conduisent à la formation de produits dont certains sont suspectés de toxicité pour l'homme. Ils font d'ailleurs l'objet de normes spécifiques dans la dernière directive européenne sur la qualité de l'eau destinée à la consommation humaine, laquelle doit être prochainement transposée en droit français. Les atouts du chlore demeure néanmoins réels, puisqu'il constitue toujours la meilleure garantie de préservation de la qualité microbiologique de l'eau durant son transport, de l'usine de traitement jusqu'aux habitations.

L’idéal serait bien sûr de pouvoir traiter l’eau sans avoir recours à des réactifs chimiques : c’est ce que permettent en partie aujourd’hui les procédés de filtration sur membranes.

La filtration sur membranes, un procédé d’avenir

Afin de répondre à la sévérité croissante des normes, aux volumes toujours plus grands d’eau à traiter, et à la pollution grandissante des réserves, d’importants efforts de recherche ont été consentis au cours des dernières décennies. Les études portent notamment sur les procédés de traitement des eaux ainsi que sur les techniques d’analyse et la mise au point d’instruments de surveillance automatique.
De nouvelles techniques, très performantes ont ainsi pu voir récemment le jour. Ces techniques dites de séparation par membranes constituent une mini-révolution dans le domaine du traitement de l’eau. Leur principe consiste non plus à éliminer chimiquement les micropolluants mais à les extraire physiquement. Elles présentent en effet le très gros avantage de n’utiliser aucun réactif chimique, sauf pour leur entretien. Très fiables, elles permettent de traiter des eaux très polluées et de produire une eau très pure, sans goût désagréables ni mauvaises odeurs, et de qualité constante, quelles que soient les variations de qualité de l’eau à traiter. Elles commencent depuis peu à être utilisées à grande échelle au niveau industriel. Le seul inconvénient de ces nouveaux traitements est leur coût élevé.
Le principe d’action de ces membranes est simple puisqu’il consiste ni plus ni moins en un filtrage mécanique. Mais quel filtrage !

L’ultrafiltration

Dans ce procédé, la membrane est constituée de milliers de fibres très fines, rassemblées à l’intérieur d’une gaine rigide. Les parois de chacune de ces fibres sont percées d’une multitude de pores microscopiques dont la taille est de l’ordre de 0.01 micromètre. L’eau à traiter circule sous pression à l’intérieur des fibres et passe à travers les pores. De toutes les substances contenues dans l’eau, seules peuvent traverser les parois des fibres celles dont l’encombrement est inférieur à la taille des pores. L’eau ainsi filtrée est récupérée à l’intérieur de la gaine. Les substances à l’encombrement trop important restent dans les fibres où elles sont lessivées par l’eau non filtrée. Côté entretien, un lavage régulier avec de l’eau propre circulant en sens inverse permet d’éviter aux pores de se colmater et un nettoyage chimique des membranes doit être effectué de temps en temps.
L’ultrafiltration permet d’éliminer toutes les particules en suspension, les bactéries et les virus, ainsi que les plus grosses molécules organique. Mais certains pesticides et certaines molécules responsables de goûts et d’odeurs, de plus faible encombrement, ne sont pas retenus. Pour pallier cet inconvénient, du charbon actif en poudre est mélangé à l’eau à traiter. Ces substances s’adsorbent sur les grains de charbon lesquels, trop gros pour passer à travers les pores, sont retenus par les membranes.
Utilisé comme traitement d’affinage, ce procédé permet d’éliminer goûts et odeurs, et de réduire notablement l’usage des désinfectants chimiques, la concentration en substances organiques susceptibles de réagir avec eux ayant elle-même diminué. Il est exploité industriellement en France depuis 1997 dans l’usine de Vigneux-sur-Seine en région Parisienne.

La nanofiltration

Son principe est très semblable à celui de l’ultrafiltration, la différence essentielle étant que la membrane de nanofiltration offre une porosité dix fois plus faible, de l’ordre de 0.001 micromètres. Constituée de trois couches de matériaux différents, elle est enroulée autour d’un tube central. Injectée sous pression, l’eau à traiter traverse la membrane et ressort filtrée par le tube central.
La nanofiltration permet de retenir tous les polluants dissous, qu’ils soient biologiques, organiques ou minéraux et quelle que soit leur concentration, sans avoir besoin d’utiliser l’adsorption sur charbon actif. Elle permet, elle aussi, de diminuer notablement l’usage du chlore. Son seul inconvénient technique est que l’eau produite est tellement pure qu’il est nécessaire de la reminéraliser ! Cette technique est utilisée en France depuis 1999 au sein d’une nouvelle unité de l’usine de traitement des eaux de Méry-sur-Oise dans la région parisienne.

Le dessalement de l’eau de mer

Les trois quarts de la surface de notre planète sont recouverts d’eau mais d’eau salée malheureusement. Il n’empêche, ces réservoirs inépuisables que sont les océans font rêver : et s’il était possible de transformer cette eau salée en eau douce ?
Cela résoudrait en effet toutes les difficultés de pénurie d’eau que connaissent beaucoup de pays, car nombre d’entre eux ont un accès aux océans, quand ils ne disposent pas d’un littoral maritime conséquent.

En fait, dessaler l’eau de mer de manière à la rendre consommable, c’est possible. On dispose même aujourd’hui de nombreux systèmes dont beaucoup ont atteint le stade industriel. Les deux procédés les plus couramment utilisés sont la distillation et l’osmose inverse. Leur principe est simple.
La distillation consiste à évaporer l’eau de mer, soit en utilisant la chaleur des rayons solaires, soit en la chauffant dans une chaudière. Seules les molécules d’eau s’échappent, laissant en dépôt les sels dissous et toutes les autres substances contenues dans l’eau de mer. Il suffit alors de condenser la vapeur d’eau ainsi obtenue pour obtenir une eau douce consommable.
L'osmose inverse nécessite quant à elle de traiter au préalable l’eau de mer en la filtrant et en la désinfectant afin de la débarrasser des éléments en suspension et des micro-organismes qu’elle contient. Le procédé consiste ensuite à appliquer à cette eau salée une pression suffisante pour la faire passer à travers une membrane semi-perméable : seules les molécules d’eau traversent la membrane, fournissant ainsi une eau douce potable.

L’inconvénient majeur de ces systèmes est qu’ils sont très coûteux. Les installations sont peu rentables :

les quantités d’énergie nécessaires au chauffage ou à la compression de l’eau sont trop élevées, et les volumes d’eau produits trop faibles. L’utilisation de cette technique de production d’eau potable reste donc encore très marginale. Seuls certains pays ne disposant que de très faibles ressources en eau mais suffisamment riches, comme le Koweït et l’Arabie Saoudite, utilisent le dessalement de l’eau de mer pour produire l’eau douce destinée à la consommation humaine. Quoi qu’il en soit, cette question, dont l’enjeu est de taille, a déjà fait l’objet de nombreuses recherches qui se poursuivent.

Des évaporateurs dits "multiples effets" ont ainsi été développés qui visaient à limiter la dépense énergétique des systèmes précédents en utilisant la chaleur produite lors de la condensation de la vapeur d’eau pour évaporer l’eau de mer. Mais, techniquement très complexes, ces systèmes nécessitaient la présence d’un personnel très qualifié. Une amélioration vient cependant de leur être apportée qui permet de réduire encore les pertes énergétiques tout en gagnant en simplicité. Peu coûteux, modulable, très simples à installer et à entretenir, et capables de produire, à un moindre coût énergétique, de 20 à 30 litres d’eau douce à partir de 100 litres d’eau de mer, ces nouveaux systèmes devraient plaire aux pays les plus intéressés par le dessalement que sont nombre de pays en voie de développement.

Mis à jour ( Lundi, 02 Mai 2011 15:19 )  

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