Ch. 2 Filières de traitement des eaux potables

Pierre POUSSIN

Contents

1 Les di�érents types d'eau brute 2

2 Généralités 5

3 Stockage de l'eau brute 6

4 La prise d'eau 7

5 Les périmètres de protection des puits de captage 8

6 Les prétraitements 11

7 La clari�cation 13

8 L'a�nage 14

9 Modi�cation de l'équilibre calco-carbonique 17

10 La désinfection 17

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1 Les di�érents types d'eau brute

La qualité de l'eau brute est le facteur qui permet de décider de la �lière à adopter, cette qualitédépend principalement du type de ressource :

• Eaux souterraine

• Eaux de surface

• Eaux karstiques : eaux souterraines mais sous in�uence des eaux de surface

1.1 Les eaux souterraines

Table 1: Problèmes des eaux souterrainesProblèmes naturels Problèmes anthropiques Problèmes rares

TurbiditéFer et Manganèse

Dureté

Nitrates

PesticidesAmmonium

MicrobiologieMatière

organique dissoute

Résidus decarburants

Radioactivité

ArsenicSéléniumFluor

Matièreorganique naturelle

L'eau souterraine est contenue dans les pores ou les �ssures de roches qui forment le sous-sol.On parle de roche aquifère (étymologiquement � roche qui contient l'eau �).

Sa qualité est constante sur l'année, elle est souvent pauvre en oxygène mais assez minéral-isée. Elle ne nécessite que peu de traitement pour sa potabilisation.

Ces aquifères sont généralement composés de deux zones :

• une zone non saturée comprenant le sol et la partie supérieure de la roche aquifère. Danscette zone, l'eau ne remplit pas l'intégralité des pores de la roche, elle adhère plus oumoins fortement par e�et de la tension super�cielle à la partie solide

• une zone saturée dans laquelle les interstices de la roche sont complètement saturés d'eau.Cette eau contenue dans la roche prend le nom de � nappe �. Elle ne constitue que trèsrarement des rivières ou des lacs souterrains.

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1.2 Les eaux de surface

Les eaux de surface, également appelées eaux super�cielles, sont constituées, par opposition auxeaux souterraines, de l'ensemble des masses d'eau courantes ou stagnantes, douces, saumâtresou salées qui sont en contact direct avec l'atmosphère.

Il s'agit pour l'essentiel des cours d'eau, des océans, des mers, des lacs et des eaux de ruis-sellement. La température et la qualité varie en fonction du climat et des saisons.

Le taux de matières en suspension est variable selon la pluviométrie et selon la nature etdu relief des terres à son voisinage.

Sa composition en sels minéraux est variable en fonction du terrain, de la pluviométrie etdes rejets.

Une eau de surface est ordinairement riche en oxygène et pauvre en dioxyde de carbone. Ellenécessite des traitement complexes pour sa potabilisation.

Table 2: Problèmes des eaux de surfaceProblèmes naturels Problèmes anthropiques

Turbidité etMES

BactériesAlgues

Matièreorganique naturelle

Minéralisation(trop faible)

Fer, aluminium,manganèse

Ammonium

Métaux lourds

Nitrates

VirusProtozoaires

Matièresorganiques des rejets urbains,

agricoles et industriels

Micro-polluantsorganiques dont pesticides

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1.3 Les eaux karstiques

Figure 1: Milieu karstique

Les aquifères karstiques sont créés par les écoulements d'eaux souterraines, qui vont dissoudrecertaines roches, en particulier les calcaires.

Ce phénomène s'explique par les propriétés acides des eaux souterraines (dues à la dissolu-tion dans les sols du gaz carbonique (CO2) produit par les végétaux et les colonies bactériennes).

Ce processus spéci�que d'érosion est appelé la karsti�cation. Du fait de leur grande per-méabilité, les régions karstiques sont des régions où l'eau est souvent absente de la surface dusol.

La qualité de l'eau karstique est très variable dans le temps :

• En période de faible précipitation, l'eau possède une qualité proche de celle des eauxsouterraines, les traitements à mettre en ÷uvre sont faibles.

• En période de forte précipitation, les eaux de surface (chargées en MES) vont ruisseler ets'engou�rer dans les �ssures et alimenter le réseau karstique. Les traitements deviennentcomplexes.

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2 Généralités

Une �lière de traitement des eaux destinées à la consommation humaine doit inclure en prioritéune excellente désinfection précédée, au plus, de trois groupes d'étapes de traitement :

• prétraitements physique et chimiques

• clari�cation

• traitements d'a�nage

Figure 2: Exemple de �lière de traitement

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3 Stockage de l'eau brute

Le stockage de l'eau brute permet de se prémunir :

• des risques de sécheresse

• des risques de pollutions accidentelles

• des risques de modi�cation de la qualité de la ressource en fonction des saisons, desintempéries, des crues, ...

Le stockage d'eau brute requiert de grandes surfaces de terrain, onéreuses, voire irréalisablesen milieu urbain ; en outre, un nettoyage périodique de la réserve peut s'avérer nécessaire.

L'autre inconvénient lié au stockage de l'eau brute est le développement possible d'alguesqui donnent un mauvais goût/odeur à l'eau, que l'on devra détruire par la suite.

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4 La prise d'eau

Eaux souterraines : il faut concevoir un captage/pompage qui entraîne avec l'eau un minimumde terre et de sable.

Il est également indispensable que des périmètres de protection ( PPPC : périmètre de protec-tion des puits de captage ) soient bien déterminés.

Les techniques de captage sont généralement des puits, des puits à drains rayonnants, destranchées drainantes,...

Figure 3: Puit à drain rayonnant

Eaux de surface et eaux karstiques : il faut adapter la prise aux di�érents éléments quel'eau peut contenir et suivant les cas, décider des prétraitements indispensables.

Cas des lac à niveau constant : le prélèvement de l'eau doit être choisi de façon, à ce quetout au long de l'année, les teneurs en MES, colloïdes, fer et manganèse soient les plus faiblespossibles. Pour les lacs profonds, on prélève l'eau vers 30 m de profondeur, mais au dessus de8 m du fond. Il faut aussi tenir compte du � retournement � saisonnier du lac qui peut mettreen circulation les particules.

Cas des plans d'eau à niveau variable : on conçoit des tours permettant des prélèvements àdi�érentes hauteurs suivant les saisons. Cette méthode est aussi utilisée dans le cas précédentpour palier au retournement saisonnier.

Cas des prises d'eau en rivière : on doit se prémunir contre les di�érents corps charriés :terre, sable, feuille, herbes, branches, emballages, mousse d'hydrocarbure,... mais aussi réagirface au changement du débit, à l'évolution des berges, les possibilités de navigation,...

Cela peut conduire à des prises par le fond, des prises latérales, des prises par siphon, despuits sur berge,... Chaque prise d'eau est particulière.

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5 Les périmètres de protection des puits de captage

Circulaire du 30 mai 2008: Les PPPC visent principalement à éviter l'impact de pollutionsponctuelles, qu'elles soient chroniques ou accidentelles, en éloignant les sources potentielles deces pollutions des points de captage.Il s'agit d'empêcher l'introduction de substances polluantes. Ils sont établis par un hydrogéo-logue.

5.1 Périmètre de protection immédiate

Fonction : empêcher la détérioration des ouvrages de prélèvement et éviter des déversementsou des in�ltrations de substances polluantes à l'intérieur ou à proximité du captage.

• Terrain clôturé (sauf dérogation)

• Contient le captage

• Surface limitée à quelques centaines de m

• Collectivité locale propriétaire du terrain

Toutes les activités autres que celles nécessaires à l'exploitation du captage y sont interdites.

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5.2 Périmètre de protection rapprochée

Fonction : protéger le captage vis-à-vis de la migration souterraine de substances polluantes.

Sa surface dépend :

• Caractéristiques de l'aquifère

• Vulnérabilité de la nappe

• Débit maximal de pompage

• Origine et nature des pollutions

Notions de base pour délimiter le périmètre :

• Durée et vitesse de transfert de l'eau

• Pouvoir de �xation et de dégradation du sol et sous sol vis-à-vis des polluants concernés

• Pouvoir de dispersion des eaux souterraines

Ses limites suivent en général les limites cadastrales et géographiques .

Sur ce périmètre on interdit ou réglemente les activités :

Interdiction des travaux, installations, activités, dépôts, ouvrages, aménagements ou occu-pation des sols susceptibles d'entraîner une pollution de nature à rendre l'eau impropre à laconsommation.

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5.3 Périmètre de protection éloignée

Fonction : prolonge éventuellement le PPR a�n de renforcer la protection contre les pollutionspermanentes ou di�uses. Il est facultatif.

Sur ce périmètre : réglementation des travaux, installations, activités, dépôts, ouvrages, amé-nagements ou occupation des sols qui, compte tenu de la nature des terrains, présentent undanger de pollution pour les eaux.

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6 Les prétraitements

6.1 Prétraitements physiques à la prise d'eau ou à l'usine

Les premier traitements consistent en un dégrossissage qui permet d'éliminer les matières degrandes dimensions :

• dégrillage (branches, feuilles,...)

• macrotamisage (herbes, débris plastiques,...)

• dessablage (sable, gravier �n,...)

• deshuilage (huile, hydrocarbure, peinture,...)

• débourbage (élimination des MES de plus grandes tailles)

Lorsque la prise d'eau est distante de la station de traitement, la protection de la canalisa-tion doit faire l'objet d'une attention particulière :

protection anti-bélier

protection contre l'envasement /obstruction /développement de mauvais goût/odeurUn traitement de préchloration a souvent été préconisé, à tort, dans le passé ; ce traitement

était responsable de la production de THM (trihalométhane) cancérigène par réaction du chloresur la matière organique et de mauvais goûts (production de chlorophénols par réaction surcertaines algues).

6.2 Les prétraitements chimiques - préoxydation

Les opérations de préoxydation consistent à prétraiter l'eau a�n que les traitements suivantsne soient pas perturbés par la présence trop importante de polluants dissous. On peut aussiréaliser une pré-reminéralisation dans le cas des eaux très douces.

6.2.1 L'aération

Cette opération consiste à compenser le dé�cit en oxygène de l'eau brute ou à débarrasser cetteeau des gaz indésirables (H2S) ou en excès (CO2).

L'aération, par son apport en dioxygène gazeux (oxydant), peut servir aussi d'étape de préoxy-dation.

6.2.2 Oxydation chimique

Cette opération consiste à éliminer, en début de �lière, tout ou partie de la matière or-ganique, de l'ammonium, du fer et du manganèse dissous,...

Cette étape permet souvent de faciliter la clari�cation ultérieure et de réduire les quantitésutilisés en désinfection �nale.

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Préoxydation par le chlore : la préchloration

Le défaut majeur du chlore est qu'il conduit à la formation de THM (trihalométhane), espècecancérigène, lors de sa réaction sur la matière organique. C'est pour cela, que la désinfection auchlore, est souvent repoussée en �n de �lière a�n de traiter en amont la MO. Une préchlorationpeut être maintenue si l'eau brute ne contient pas de MO.

On peut aussi appliquer ce traitement si l'on craint un développement d'algues dans lesunités de clari�cation, ou si l'on veut éliminer l'ammonium (NH4

+).

Préoxydation par le dioxyde de chlore : ClO2

Cette technique s'est développée pour remplacer le chlore en préoxydation. En e�et, le dioxydede chlore ne conduit pas à la formation de THM. Cependant, il ne permet pas de traiterl'ammonium. De plus, par réaction sur la MON, il conduit à la formation des ions chlorite(ClO2

� ), qu'il est alors nécessaire d'éliminer par la suite. Ainsi, à la suite de nouvelles normes(décret 2003-461), l'usage du dioxyde de chlore en préoxydation tend à disparaître.

Préoxydation par le permanganate de potassium KMnO4

Cet oxydant puissant est notamment utilisé pour traiter le manganèse dissous (Mn2+) dansl'eau brute. Il est aussi utilisé, dans certains cas, pour traiter la MO, pour éliminer les goûtset odeurs, et pour éviter le développement de certaines algues. Cependant, il faudra veiller àne l'utiliser en excès, car il apporte une coloration rose à l'eau traitée. Il est souvent utiliséen parallèle d'une �lière biologique, de part sa facilité de stockage et d'administration, a�nd'assurer la continuité du traitement en cas de problème sur la �lière biologique.

Préoxydation par l'ozone : préozonation

L'ozone présentent de nombreux avantages par rapport au composés chlorés (Cl2 et ClO2),lorsqu'il régit sur la MO : il évite la formation des THM et de chlorite. Il peut aussi contribuerà créer des conditions favorables à une future dénitrifaction biologique. Il agit aussi sur les ré-ducteurs dissous (fer et manganèse). Par contre, il ne permet pas l'élimination de l'ammoniumet présente aucun e�et rémanent. Il conviendra donc de couvrir les procédés de clari�cation etde prévoir une chloration �nale. C'est donc, actuellement, le préoxydant le plus utilisé, dans lecas des eux brutes chargées en MO.

Il permet donc :

• une amélioration de l'e�cacité de la clari�cation (élimination de

• la turbidité, couleur, algues, MO,...)

• une réduction de la demande en coagulant

• une optimisation de la dénitri�cation biologique éventuelle

• une désinfection initiale

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7 La clari�cation

La clari�cation est l'ensemble des opérations qui permettent d'éliminer les MES (matières ensuspensions minérales et organiques) ainsi que la que la fraction �oculable de la matière or-ganique dissoute (matière colloïdale) : on réduit ainsi la turbidité.

En fonction des concentrations en MES et colloïdes, la clari�cation sera plus ou moinscomplexe, elle peut être suivie d'un a�nage éventuel et dans tout les cas d'un désinfection�nale.

On distingue di�érentes étapes :

• coagulation

• clari�cation

• décantation/�ottation

• �ltration

7.1 Filtration sans réactif � Filtration membranaire

Pour une eau ne contenant que peu de turbidité, le traitement de clari�cation est simpli�é :une simple �ltration directe sur sable ou bicouche sans réactif éventuellement précédée d'unepréoxydation. Cette solution ne répond plus désormais au normes en vigueur.

On préfère de nos jours utiliser les procédés de �ltration membranaire tel que l'ultra�ltration.Cette technique permet d'obtenir une qualité constante de l'eau quelque soit l'évolution de laqualité de l'eau brute sans se soucier de l'ajustement d'une quelconque dose de réactif.

Ce type de procédé est préconisé dans les cas suivants :

• ressources karstiques

• eaux de lacs

• faibles débits à traiter

Ces systèmes sont automatisables et ne nécessitent pas de personnel hautement quali�é.

7.2 Coagulation puis �ltration

Pour les eaux de surface proche de bonne qualité, on préconise l'utilisation de réactifs (coagu-lant/�oculant).

Ces réactifs sont injectés en amont de la �ltration, directement en ligne, sans bassin de co-agulation ni de �oculation.

La �ltration est souvent précédée d'une préoxydation qui aura pour e�et de faciliter la clari�-cation en solubilisant les métaux et en détruisant tout ou partie de la matière organique.

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7.3 Traitement complet de clari�cation

Cette �lière est appliquée à toutes les eaux dont les caractéristiques de turbidité, de couleur,MES, algues, oxydabilité donnent une eau brute de qualité moyenne.

Une étape de décantation est interposée entre l'introduction de coagulant/�oculant et la�ltration, a�n d'éliminer la majeur partie des �ocs formés et de ne pas colmater les �ltres pré-maturément. Il existe des décanteurs statiques, à contact de boues, lamellaire,... Le taux deMES est le critère principal pour déterminer la �lière adéquate.

On peut aussi utiliser la �ottation notamment dans le cas d'une eau riche en algues maispeu turbide.

8 L'a�nage

L'a�nage est l'ensemble des technique qui permettent l'élimination des matières organiques etdes micro-polluants en �n de �lière.

L'a�nage prend de plus en plus d'importance et en prendra encore à l'avenir, en raison de :

• la pression de l'urbanisme

• du développement industriel

• de l'agriculture intensive qui dégradent la qualité des eaux brutes

Les méthodes d'analyses de plus en plus sophistiquées ont permis de mettre en évidence despolluants autrefois ignorés.Les normes, de plus en plus sévères, induisent une qualité et donc des traitements de plus enplus poussés.

PCB : polychlorobiphényles aussi appelés pyralènes (du nom commercial d'un produit àbase de PCB autrefois très utilisé en Europe, dans les transformateurs) forment une famillede composés aromatiques organochlorés dérivés du biphényle. Les PCB sont toxiques, éco-toxiques et reprotoxiques (y compris à faible dose en tant que perturbateurs endocriniens).Très liposolubles, ils font partie des contaminants bioaccumulables fréquemment trouvés dansles tissus gras chez l'humain (dont le lait maternel). Ils sont classés comme � cancérogènesprobables � le PCB 126 a été classé cancérogène certain. L'alimentation est la première sourced'exposition aux PCB (90En France, fabriquer et/ou utiliser des PCB est interdit depuis 1987et les préfets peuvent (par arrêtés préfectoraux) réglementer la pêche quand la contaminationdépasse certains seuils.

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8.1 L'oxydation

C'est essentiellement l'oxydation par l'ozone qui est utilisée en a�nage.Son action permet de réduire la taille des plus grosses molécules en sous produits de plus petitemasse. Il faudra notamment faire attention à la toxicité potentielle de ces sous produits. C'estle cas notamment des pesticides (atrazine).L'ozone est particulièrement e�cace pour traiter les MON qu'il transforme en molécules or-ganiques facilement biodégradables, il faut alors poursuivre par une étape de dégradation bi-ologique, et ainsi détruire les précurseurs de THM.

8.2 L'adsorption sur charbon actif

L'adsorption (�xation d'espèces chimiques à la surface d'un solide) met en ÷uvre des charbonsactifs en grain (CAG) ou en poudre (CAP) qui se caractérisent par une très grande surfacespéci�que (porosité) et par la présence de sites actifs qui vont �xer des molécules dissoutes, leséliminant du milieu à traiter.Dans une �lière de traitement, le CAP est introduit en amont des décanteurs. Les �ltres àCAG peuvent être installés :- soit à la place des �ltres à sable- soit après une �ltration rapide sur sable et après une ozonation

Figure 4: Charbon actif

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Figure 5: Charbon actif

8.3 L'activité biologique

L'activité biologique régnant sur les matériaux �ltrants transforme les molécules ou ions in-désirables en sous-produits sans incidence sur la qualité de l'eau.Cette technique est utilisée notamment pour éliminer l'ammonium, les nitrates, le carboneorganique biodégradable,...

Chaque traitement requiert des conditions spéci�ques de pH/potentiel redox/oxygène dis-sous/température/temps de contact ainsi qu'un matériau support de bactéries. Les bactériesprésentent aussi une sélectivité par rapport aux polluants à traiter.

Ces �lières sont souvent lente à démarrer (peuplement d'environ 1 mois) et sont sensibleaux variations de la pollution l'eau brute. Il est donc nécessaire de prévoir une �lière physico-chimique en parallèle.

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9 Modi�cation de l'équilibre calco-carbonique

On traitera l'eau de manière à ce qu'elle soit la plus équilibrée possible, tout en produisant uneeau légèrement incrustante.Traitements des eaux agressive : Élimination du CO2 par aération, addition de chaux,...Traitements des eaux incrustantes : Ajout de CO2, précipitation par ajout de chaux,...

10 La désinfection

Cette étape, commune à tous les traitements, est la plus importante. Elle a pour but deneutraliser tous les virus et bactéries pathogènes.Elle n'est e�cace que si l'eau a été préalablement bien clari�ée, notamment dans le cas deseaux de surface.

Elle peut être e�ectuée :- par des procédés chimiques : oxydation chimique avec des agents chlorés (dichlore gazeux,eau de Javel, dioxyde de chlore) et ozone- rayonnements ultraviolets-par des procédés physiques comme la �ltration sur membranes

Pour que la désinfection soit totalement e�cace, il convient de maintenir un résiduel dedésinfectant dans l'eau distribuée jusqu'au robinet du consommateur.Lorsque la désinfection �nale est réalisée par l'ozone (qui présente un faible pouvoir rémanent),par les UV ou par les membranes, une légère injection de réactifs chlorés (dichlore, eau de Javelou dioxyde de chlore) est nécessaire.

Figure 6: Désinfection au dichlore gazeux

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