Cycle eau potable by IDrop Project

Le cycle de l’eau

Introduction Présentation des diverses étape du cycle de l’eau (schémas) D’où vient l’eau ? Qu’est ce que l’eau potable ? Quel contrôle pour l’eau ? Quels traitements pour l’eau ? 2

De l’eau brute à l’eau potable Dans les pages suivantes, nous reviendrons en détail sur chaque étape, mais le panorama suivant donne une idée de la globalité et de la ... complexité des problèmes à résoudre !

 Aujourd’hui, dans nos pays, ouvrir un robinet d’eau est devenu un geste banal : plus de 98% de la population française est desservie en eau potable à son domicile, aussi bien en agglomération qu’en zone rurale.  L’accessibilité permanente de cette “eau du robinet” nécessite des moyens techniques et humains importants….c’est le rôle du système d’alimentation en eau potable : capter l’eau dans le milieu naturel, la rendre potable, la transporter, la distribuer à chaque usager. C’est aussi ce qui explique son coût. 4

Cycle de l’eau Condensation Transpiration

Evaporation

Précipitation Ruissellement

Infiltration Lac

Rivière Océan Ecoulement souterrain

Source

Le stockage dans les rĂŠservoirs

Le pompage

Le traitement

La ressource brute 6

Les canalisations

La robinetterie

Le branchement

Les usagers 7

D’où vient l’eau ?  Les ressources en eau  L’eau potable est produite à partir d’eaux brutes prélevées dans le milieu naturel.  Toutes les eaux ne peuvent pas être utilisées pour “fabriquer” de l’eau potable. Le Code de la Santé Publique définit des critères de qualité minimum que doivent respecter les eaux naturelles pour être utilisées à des fins de potabilisation.  Par exemple, on ne peut pas utiliser pour fabriquer l’eau potable une eau de source qui contient plus de 100 mg/l de nitrates ou une eau de rivière qui contient plus de 20 000 Escherichia coli pour 100 ml. 8

L’eau sur la planète

2,8% d’eau douce 97,2% d’eau salée

On distingue deux types de ressources :  Les eaux souterraines:  Elles proviennent de l’infiltration des eaux de pluie dans un terrain perméable.  Lorsqu’elles rencontrent une couche imperméable, elles forment une nappe aquifère.  La première nappe rencontrée sous le sol est la nappe phréatique. Il peut exister des nappes plus profondes, généralement captives (sous pression).  Pour capter ces eaux on utilise : ● des puits ou des forages pour les eaux issues de nappes plus ou moins profondes, ● des ouvrages de captage pour les eaux qui affleurent naturellement.  Ces ouvrages sont en général équipés de pompes qui relèvent l’eau vers le site de traitement, un réservoir ou le réseau de distribution.  En France, près de 60 % de l’eau destinée à consommation humaine provient d’eaux souterraines. 10

Les eaux de surface ou superficielles: Il s’agit des cours d’eau (rivières ou fleuves) et des retenues naturelles ou artificielles. Ces eaux de surface ont une qualité plus ou moins régulière selon les rejets qui s'y déversent ou encore selon le ruissellement des pluies. Les prises d’eau sont généralement placées en amont des villes pour éviter les rejets des eaux usées. Elles sont équipées de pompes pour transporter l’eau jusqu’au site de traitement. 11

Caractéristiques

Eaux souterraines

Eaux de surface

Matières organiques, matières en suspension

Peu chargées

Chargées variables selon la saison

Température

Relativement constante

variable

Fer et manganèse

Souvent présents

Généralement absents (sauf eaux de retenue)

nitrates

Teneur parfois élevée dans les nappes phréatiques ou peu profondes

Peu abondants en général du fait de la dilution

Micropolluants minéraux et organiques

Généralement absents mais subsistent longtemps en cas de pollution accidentelle

Présents en cas de micropollution ou de dégradation de la qualité de la ressource

Éléments vivants

Ferro bactéries fréquentes

Bactéries (dont certains pathogènes) virus, plancton, poissons.. 12



Sur la planète, la quantité d’eau est estimée à 1 400 millions de km3 (1 km3 représente 1 milliard de m3 et 1 m3 = 1000 litres !).



L’eau douce, non salée, n’en représente que 2,8%, avec une grande partie immobilisée dans la glace des pôles.



La ressource d’eau douce utilisable (nappes phréatiques, lacs, fleuves,..) est d’environ 10 millions de km3, mais la répartition dans le monde est très inégale.

 

39% 20%

Tous les jours nous utilisons des millions de mètres cube d’eau pour les activités humaines. Pour ces besoins, la France prélève annuellement 41 km3 d’eau pour une consommation nette d’environ 8 km3 dont 24% pour l’alimentation en eau potable.



En France, la consommation domestique moyenne d’eau potable est d’environ 150 litres par jour et par habitant (l/j/h).



Dans le monde, ce chiffre atteint plus de 500l/j/h dans des mégalopoles d’Amérique du Nord pour un peu moins de 30 l/j/h dans certains villages africains !



Mais, n’oublions pas que près du tiers de la population mondiale est encore privé d’eau potable…

10% 1% 6%

7% pour l’alimentation

12% 6%

93% pour l’hygiène et le nettoyage 13

Quelques chiffres…           

Eau pour la cuisine : 5 à 8 litres /jour Toilette au lavabo : 5 litres /pers Douche : 60 à 80 litres /1 Bain : 150 à 200 litres /1 Vaisselle à la main : 15 à 20 litres /1 Lave-vaisselle : 20 à 40 litres /1 Lave-linge : 40 à 120 litres /1 Chasse d'eau : 6 à 12 litres /1 Arrosage des pelouse :15 à 20 litres /m2 Lavage voiture : 200 litres Consommation moyenne famille de 4 personnes : 150 m3 /an 110 m3 pour l’hygiène 30 m3 pour la chasse d’eau 10 m3 pour la nourriture et la boisson  Un robinet qui goutte c’est 35 m3 /an  Une chasse d’eau qui fuit c’est plus de 300 m3 /an

Economisons pour mieux préserver la ressource !

Quels objectifs ?  Qualité:  La qualité de l’eau ne doit pas nuire à la santé du consommateur. Elle doit être conforme à la réglementation sanitaire.  Quantité:  L’usager doit disposer d’une quantité d’eau suffisante pour couvrir ses besoins, dans un souci permanent de maîtrise de la consommation et de lutte contre le gaspillage.  Pression:  La pression, ni trop forte, ni trop faible doit garantir un confort d’utilisation à l’usager.  Continuité de service:  Le service de distribution doit être assuré 24 heures sur 24 avec le moins d’interruption possible. Et bien sûr,…ces objectifs doivent être atteints sans mettre en péril la ressource en eau et au moindre coût pour l’usager comme pour la collectivité…. 15

Qu’est-ce que l’eau potable ?

“Toute personne qui offre au public de l’eau en vue de l’alimentation humaine, à titre onéreux ou gratuit, et sous quelque forme que ce soit, y compris la glace alimentaire, est tenue de s’assurer que cette eau est propre à la consommation”. Cette simple phrase du Code de la Santé Publique implique donc pour toute collectivité ou représentant d’une collectivité, qu’il y ait ou pas vente d’eau, le respect de la qualité sanitaire de l’eau proposée. En pratique, pour être “potable” une eau doit remplir les trois conditions suivantes : ● elle ne doit pas contenir un nombre ou une concentration de microorganismes, de parasites ou de toute autre substance, constituant un danger potentiel pour la santé des personnes ; ● elle doit être conforme aux limites de qualité qui sont des valeurs obligatoires ; ● elle doit satisfaire à des références de qualité, valeurs indicatives.

 Une eau potable est une eau qui ne doit pas porter atteinte à la santé, et être agréable boire. On utilise le terme “eau destinée à la consommation humaine”.  Il s’agit des eaux : ● destinées aux usages domestiques : boisson, cuisson, préparation d’aliments, ou à d’autres usages. ● utilisées pour la fabrication d’aliments. ● utilisées pour la glace alimentaire.  La qualité sanitaire de l’eau est décrite à travers une cinquantaine de paramètres, c’est-à-dire d’éléments dont on va rechercher la présence dans l’eau.  Pour chacun de ces paramètres, la législation (Directive Européenne et Code de la Santé Publique) fixe des concentrations à ne pas dépasser.  Ces valeurs limites prennent en compte les recommandations de l’Organisation Mondiale de la Santé.

EAU POTABLE

Sur le réseau d’eau potable, le respect des paramètres de qualité (limites et références) s’apprécie aux robinets du consommateur. 18

Les limites de qualité

Ce sont des paramètres dont la présence dans l’eau induit des risques immédiats à plus ou moins long terme pour la santé.

Les paramètres microbiologiques (2 paramètres)  L’eau est un milieu vivant dans lequel on peut rencontrer de tout petits organismes vivants, invisibles à l’œil nu (inférieur à 1micron) (1micron : un millième de millimètre) : bactéries, virus,…  Parmi ces organismes, certaines espèces sont totalement inoffensives et d’autres peuvent être responsables de maladies graves : choléra, typhoïde,… La séparation des circuits d’eau propre et d’évacuation des eaux usées, l’amélioration des habitudes d’hygiène, la désinfection de l’eau permettent d’éliminer les risques de maladies véhiculées par ces microorganismes.  L’eau potable doit être exempte d’espèces pathogènes (provoquant la maladie).  Pour garantir la qualité bactériologique, on recherche dans l’eau des germes indicateurs dont la présence peut être le signe d’une contamination d’origine fécale, et donc de l’existence possible d’éléments susceptibles  de provoquer une maladie.  Ces paramètres indicateurs sont au nombre de 2 (Escherichia coli et entérocoques). Leur absence dans l’eau est impérative ! ! 20

Les paramètres chimiques (29 paramètres) 

On y trouve, des substances indésirables (nitrates, nitrites, cuivre,..), dessous-produits du traitement de l’eau (bromates, trihalométhanes,..), des substances toxiques (arsenic, plomb, cyanure, mercure,…) et les pesticides. Deux exemples célèbres…..

 Les nitrates:   



Les nitrates dans l’alimentation humaine ont plusieurs origines : conservateurs de charcuterie, certains légumes verts (cycle de l’azote dans les végétaux), eau. L’excès d’azote épandu sur les sols sous forme d’engrais contribue à augmenter les teneurs en nitrates dans un certain nombre de ressources. Le risque sanitaire existe principalement pour les nourrissons et les femmes enceintes. En effet, chez les nourrissons, il existe un métabolisme différent de celui des adultes qui transforme les nitrates en nitrites. Ces derniers peuvent provoquer un dysfonctionnement des globules rouges et un mauvais transfert de l’oxygène vers les cellules. La maladie correspondante est appelée méthémoglobinémie. La concentration maximale en nitrates autorisée est de50 mg/l.

 Le plomb:      

Le plomb est un toxique qui provoque une maladie appelée saturnisme par accumulation dans l’organisme. Les sources d’exposition au plomb sont multiples : air (essences au plomb, cigarettes), peintures au plomb, eau, aliments. Toutes les causes d’intoxication par le plomb sont donc combattues y compris en provenance de l’eau. En effet, il existe encore des canalisations, des joints ou des branchements en plomb dans les installations anciennes. La concentration maximale admissible est de 25μg/l (μg : microgramme), elle passe à 10μg/l à partir de 2013. Cette exigence va nécessiter le remplacement des canalisations en plomb (branchements publics et installations intérieures).

Les références de qualité

Ce sont des indicateurs de qualité témoins du fonctionnement des installations de production et de distribution d’eau.

Par exemple :  La dureté de l’eau  La dureté de l’eau représente la teneur en calcaire et en magnésium.  Elle s’exprime en “degrés français” : 1 degré = 4 mg/l de calcium ou 2,5 mg/l de magnésium  On distingue ainsi plusieurs catégories : ● les eaux douces : moins de 15 degrés français, ● les eaux dures : entre 15 et 30 degrés français, ● les eaux très dures : plus de 30 degrés français.  La dureté de l’eau dépend de la nature du sol : eau dure pour les sols calcaires ou crayeux, eau douce pour les sols granitiques ou sablonneux.  Une eau douce “mousse” beaucoup, a tendance à être agressive vis-à-vis du calcaire (elle dissout le calcaire) et a aussi tendance à corroder les canalisations (fer, cuivre zinc ou plomb). Dans ce cas, il est nécessaire de reminéraliser l’eau avant de la distribuer.  Une eau dure, dite entartrante, est à l’origine de dépôts de calcaire dans les conduites ainsi que dans les appareils ménagers et les installations de chauffage.  Pour éviter les problèmes d’entartrage, il est recommandé de limiter la température de l’eau à 60°C.  La réglementation ne précise pas de valeur limite pour la dureté de l’eau. Elle indique simplement que l’eau ne doit pas être agressive. 23

Comment sont fixées les valeurs limites des paramètres de qualité ?  L’exemple du plomb:       

 

L’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) a établi que, pour les nourrissons, la population la plus sensible, le plomb s’accumule dans l’organisme au-delà d’une ingestion de 25 microgrammes (μg) par kilo et par semaine, soit environ 3,5 μg par kg et par jour. L’apport de plomb par l’eau de boisson est estimé à 50 % pour le nourrisson, les autres sources de contamination sont l’air, les poussières et les aliments. On prend comme hypothèse une consommation moyenne de 0,75 litre d’eau par jour pour un nourrisson de 5 kg. Quantité de plomb acceptable dans l’eau de boisson : 3,5 μg/kg/j x 5kg x 50% = 8,75 μg/jour Quantité d’eau de boisson consommée : 0,75 litre/jour Concentration acceptable dans l’eau : 8,75 μg/l / 0,75 litre/j= 11,7 μg/l. Cette valeur a été arrondie à 10 μg/l. Le seuil fixé par l’OMS repose donc sur des hypothèses qui correspondent à une catégorie de consommateurs théoriques : les nourrissons de 5 kg, buvant 0,75 litre d’eau par jour et ingérant la moitié de leur dose journalière de plomb par l’eau de boisson. Il est intéressant de signaler que la valeur de 10μg/l s’applique à un prélèvement instantané, alors que le calcul repose sur une consommation moyenne par semaine.

Le contrôle de la qualité de l’eau

L’eau destinée à la consommation humaine est soumise à un double contrôle : ● Le contrôle réglementaire: La Direction Départementale des Affaires Sanitaires et Sociales (DDASS) est chargée, pour le compte de l’Etat, du contrôle légal de la qualité de l’eau. Cette surveillance prend la forme de prélèvements et d’analyses ponctuels effectués à la ressource, après traitement et aux points de distribution. Le type et la fréquence des analyses sont réglementés et dépendent de la nature de la ressource et de la taille de la collectivité. Les résultats de ces analyses réglementaires doivent être affichés en mairie. Tous les ans, une note de synthèse de la qualité de l’eau est communiquée aux usagers à l’occasion de la facturation.

 L’autocontrôle: La personne publique ou privée responsable de la distribution d’eau (l’exploitant) est tenue de surveiller en permanence la qualité de l’eau distribuée : examen régulier des installations, programme d’analyses, fichier sanitaire, signalement des incidents,…

Le dépassement des exigences de qualité: En cas d’analyses non conformes, le distributeur doit informer les autorités, en particulier le Maire et le Préfet. Si les exigences de qualité ne sont pas respectées, il y a lieu d’examiner au cas par cas les raisons de ces dépassements et les risques réels encourus par la population. C’est le Préfet qui définit la conduite à tenir et peut faire restreindre l’utilisation de l’eau, voire en interdire la distribution. On se souviendra, à ce sujet, que l’eau se boit, mais sert aussi à l’hygiène (évacuation des eaux usées). Dans tous les cas l’information du public doit être adaptée et rapide. 28

Les prélèvements d’eau

Les autorisations de prélèvement:

Le prélèvement d’eau dans le milieu naturel en vue de la consommation humaine est soumis à autorisation administrative délivrée par le Préfet, à l’exception du prélèvement pour l’usage exclusif d’une famille (inférieur à 1 000 m3 par an ). L’arrêté d’autorisation fixe les conditions de réalisation, d’exploitation et de protection du point de prélèvement, ainsi que les produits et procédés de traitement auxquels il peut faire appel. Les périmètres de protection: Pour protéger les ressources utilisées pour la production d’eau potable, la législation impose la mise en place de périmètres de protection. Il s’agit de prévenir la pollution des points de captage par l’infiltration ou le ruissellement de substances nuisibles à la qualité de l’eau brute. En pratique, avec l’appui d’un hydrogéologue, on définit des “périmètres” dans lesquels les activités sont interdites ou réglementées. 30

On distingue trois périmètres dont la forme et la surface dépendent des caractéristiques de l’aquifère, du débit prélevé et de la vulnérabilité du site : ● Le périmètre de protection immédiate : Ce premier périmètre est une aire clôturée autour de l’ouvrage de captage. Le terrain, de surface limitée, appartient à la collectivité. Toutes les activités y sont interdites, à l’exception de l’exploitation des installations liées au service des eaux. ● Le périmètre de protection rapprochée : Il doit protéger efficacement le captage vis-à -vis de la migration de substances polluantes. Dans cette zone, les activités susceptibles de nuire directement ou indirectement à la qualité des eaux peuvent être interdites ou réglementées. Par exemple les dépôts d’ordures ménagères, les carrières, les stockages d’hydrocarbures, l’épandage des lisiers,… ● Le périmètre de protection éloignée : Ce périmètre est facultatif. Dans certains cas, il renforce le précédent et peut couvrir une superficie très variable. Dans ce périmètre,on peut réglementer les31 activités mais pas les interdire.

Périmètre rapproché

Périmètre éloigné

Périmètre immédiat

Quels traitements ? En effet, le matériau “eau” présente des caractéristiques très différentes selon qu'on le puise dans le sol ou dans les rivières, selon que la nature du sol est calcaire ou granitique, selon les sols que la pluie rencontre sur son passage,…. En règle générale, une eau souterraine peut ne présenter aucun défaut, ou peu de défauts. Dans certains cas, elle peut donc être distribuée sans traitement préalable, à l’exception d’une désinfection préventive pour le maintien de la qualité de l’eau dans le réseau. En revanche, une eau de surface possède généralement beaucoup d’imperfections qui justifient un certain nombre de 33 traitements avant distribution

Filière “classique” d’une eau de surface

Coagulant

Eau décantée

Oxydant Floculant

Pré-oxydation Un traitement chimique Dégrillage, tamisage d'oxydation est souvent Des grilles plus ou moins fines, permettent d’éliminer utilisé à ce stade pour les corps flottants véhiculés préparer l'eau aux étapes suivantes. par le courant : feuilles, branches, déchets,…

Décantation

Boues

Clarification La clarification consiste à rendre l’eau plus limpide en éliminant les matières en suspension et les colloïdes. C’est la succession de trois étapes : la coagulation, la floculation et la décantation. Avec l'aide de produits chimiques particuliers, les coagulants (sulfate d'aluminium, chlorure ferrique, polychlorures d’aluminium ...), puis les floculants (polymères, adjuvants de floculation), on va rassembler les toutes petites particules (colloïdes) responsables de la turbidité en flocs de plus en plus gros qui décanteront dans un ouvrage de décantation. Les “boues” ainsi obtenues sont régulièrement évacuées. 34

Dans certains cas, des étapes complémentaires complètent la filière classique : Traitement des nitrates, du fer, du manganèse, des pesticides, de l’excès ou du manque de calcaire,….

Chlore

Sable Eau filtrée

Filtration A la sortie du décanteur, on a éliminé une grande partie de la turbidité et des matières organiques. Il reste encore dans l'eau des petites particules ou de petits flocs qui n'ont pas eu le temps de décanter. C'est sur le filtre (à sable le plus souvent) qu'on va les stopper, et ainsi terminer l’élimination des fractions solides contenues dans l’eau. Le filtre est nettoyé régulièrement par l’envoi d’eau et d’air à contre courant.

Oxydant

Charbon actif Eau affinée

Affinage Dans certains cas, à ce stade, l'eau bien que traitée, ne correspond pas à la qualité souhaitée. Des éléments dissous n'ont pas été éliminés : micropolluants, ammoniaque, pesticides,... On aura alors recours à une étape "d'affinage”. La plus fréquente, est l’association d’une oxydation par l’ozone suivie d'une filtration sur charbon actif en grains. Certaines filières utilisent les techniques modernes de filtration sur membranes.

Oxydant Désinfectant

Désinfection C'est l'étape finale du traitement de l'eau, la plus importante puisqu’elle garantit la bonne qualité bactériologique de l’eau jusqu’au point de puisage.

Filière eaux souterraines  Les paramètres incriminés sont, pour les plus fréquents, le fer, le manganèse, les nitrates, quelquefois la turbidité et l'ammoniaque. Comme on l'a signalé, un, voire deux seulement des paramètres sont en cause. On rencontrera donc une filière de traitement spécifique du paramètre à traiter.

● le fer Il pourra être éliminé par oxydation chimique suivie d’une filtration ou bien par voie biologique ● Le manganèse Il subira le même traitement que le fer car ce sont deux éléments chimiques très proches. Néanmoins, l’oxydation devra être plus poussée car il est plus difficile à éliminer.

Oxydation Fer ou manganèse précipité solide Sable

Désinfection

Fer ou manganèse dissous

● L'ammoniaque Il peut être éliminé par voie biologique ou par chloration ● La turbidité Généralement faible, elle pourra être éliminée par filtration sur sable ou sur membranes.

Résines ou traitement biologique Désinfection nitrates

nitrates Dans tous les cas, l’étape finale sera la désinfection.

● Les nitrates On a recours à des techniques biologiques (dénitrification), chimiques avec des résines échangeuses d’ions (dénitratation) ou physiques (nano-filtration) ● Eau douce (agressive) C’est une eau avec très peu de minéraux dissous, très peu de calcium. Elle pourra être traitée par filtration sur un matériau alcalino-terreux (calcaire marin,…)

La désinfection  C’est l’étape finale du traitement de l’eau : quasi systématique, elle permet de garantir la qualité microbiologique de l’eau. Dans le cas d’eau souterraine de très bonne qualité, c’est parfois le seul traitement mis en œuvre pour garantir la qualité jusqu'au robinet du consommateur.  Le but de cette étape est d’éliminer tous les germes pathogènes susceptibles d’entraîner une maladie, et la quasi-totalité des germes banals : c’est la désinfection proprement dite.  Cette opération peut être réalisée :  ● à l’aide de désinfectants chimiques comme l’ozone, le chlore (gazeux ou eau de Javel), le dioxyde de chlore.  ● par méthode physique : ultraviolets ou membranes. 38

1. Désinfection

Chlore

2 .On maintient un résiduel de désinfectant pour le transport

A la sortie du site de traitement, on cherche à protéger l’eau pendant son transport jusqu’à l’usager. La protection est assurée par le maintien dans l’eau d’une petite quantité de désinfectant destinée à combattre les pollutions bactériologiques qui pourraient advenir dans le réseau de distribution. Cette “mission” est confiée à un désinfectant “rémanent”, c’est à dire dont l’action persiste dans le réseau. On utilise en général: le chlore ou le dioxyde de chlore. Sur les grands réseaux de distribution, on met parfois en place des postes de chloration relais pour éviter un surdosage de désinfectant à la sortie du site de traitement tout en garantissant la qualité jusqu’au point de puisage.

Le goût de chlore…  Le chlore, on l’a vu, garantit la qualité bactériologique de l’eau, mais il a parfois des inconvénients.. Combiné avec les matières organiques présentes dans l’eau, il donne ce désagréable goût de chlore.  L’amélioration de la filière de traitement de l’eau et l’entretien régulier du réseau de distribution permettent  de limiter ce désagrément.  Chez soi, on peut atténuer le goût de chlore en laissant reposer l’eau dans une carafe au réfrigérateur pendant 1 à 2 heures.  En conclusion,  la définition de la filière de traitement d'une eau, quelle qu'elle soit, ne se fait qu'en ayant une bonne connaissance de la qualité de cette eau et de ses variations au cours de l'année.  La seule étape qui soit systématique (ou presque, très rares sont les cas où on ne l'applique pas) est la désinfection, seule vraie garantie contre le risque immédiat bactériologique.