Production d'eau potable, traitement des eaux
Objectifs
Expliquer que l’eau potable est une ressource
limitée, très inégalement
répartie sur Terre. Décrire les étapes
de production de l’eau potable, et comment les eaux
usées sont traitées. Montrer comment il est
possible de désaliniser l’eau de mer pour la
rendre potable. Proposer quelques tests visant à
évaluer la qualité d’une eau de
consommation.
1. L'eau potable
a. Une ressource précieuse
L’eau est une ressource abondante sur Terre, car
les mers et océans couvrent près de 71 % de
sa surface. Cela représente environ 97 % de toute
l’eau présente sur la planète.
Cependant, cette eau est salée. Les 3 %
restants sont constitués par de l’eau
douce, mais les glaciers et calottes glacières
en représentent presque 80 %. Seul le reste est
accessible pour la consommation humaine, ce qui fait
de l’eau douce une ressource rare,
disponible dans les fleuves, retenues d’eau (lacs)
et dans les nappes phréatiques.
De plus, les réserves d’eau douces sont très inégalement réparties sur la planète. Les zones froides, tempérées et équatoriales sont dans l’ensemble assez bien pourvues. Par contre, le déficit en eau douce est manifeste dans les régions équatoriales, dont bien sûr les zones désertiques. Plus de deux milliards d’Hommes dans le monde sont concernés par des difficultés d’accès à l’eau potable (moins de 5 L par personne et par jour).
De plus, les réserves d’eau douces sont très inégalement réparties sur la planète. Les zones froides, tempérées et équatoriales sont dans l’ensemble assez bien pourvues. Par contre, le déficit en eau douce est manifeste dans les régions équatoriales, dont bien sûr les zones désertiques. Plus de deux milliards d’Hommes dans le monde sont concernés par des difficultés d’accès à l’eau potable (moins de 5 L par personne et par jour).
b. Production et traitement de l'eau potable
L’eau douce puisée dans la Nature est
rarement potable en l’état. Il est souvent
nécessaire de lui faire subir plusieurs
traitements afin de l’assainir. La
finalité est notamment d’éliminer la
présence de germes, de polluants, … qui
présenteraient un danger pour la santé.
Les étapes sont :
• Le tamisage, afin de retirer une part des matières solides mélangées à l’eau.
• La décantation, où les matières solides résiduelles se déposent au fond du bassin par coagulation, puis par floculation (agrégations des impuretés).
• La filtration, où une couche de sable va retenir les matériaux les plus gros. Du charbon actif peut quant à lui fixer des micropolluants.
• L’ozonation. L’ozone mélangé à l’eau permet de tuer les bactéries et virus, et de désactiver certains toxiques (pesticides, …). Son action est également de supprimer d’éventuelles couleurs et odeurs de l’eau traitée, et d’améliorer son goût.
• La chloration évite que les bactéries puissent se développer, par désinfection de l’eau.
Les étapes sont :
• Le tamisage, afin de retirer une part des matières solides mélangées à l’eau.
• La décantation, où les matières solides résiduelles se déposent au fond du bassin par coagulation, puis par floculation (agrégations des impuretés).
• La filtration, où une couche de sable va retenir les matériaux les plus gros. Du charbon actif peut quant à lui fixer des micropolluants.
• L’ozonation. L’ozone mélangé à l’eau permet de tuer les bactéries et virus, et de désactiver certains toxiques (pesticides, …). Son action est également de supprimer d’éventuelles couleurs et odeurs de l’eau traitée, et d’améliorer son goût.
• La chloration évite que les bactéries puissent se développer, par désinfection de l’eau.
c. Traitement des eaux usées
Après consommation, il est nécessaire de
traiter les eaux usées, afin
d’éviter de polluer l’environnement.
Comme pour la production d’eau potable, on
distingue différentes étapes :
• La filtration. Par des grilles, les résidus solides sont récupérés et éliminés.
• La décantation : l’eau est envoyée dans des bassins, où les matières vont progressivement se déposer au fond. L’eau devient alors de plus en plus transparente. Les boues sont récupérées, et éventuellement valorisées (engrais)
• Traitement secondaire. L’eau est versée dans un bassin d’aération. Elle contient encore des matières organiques, qui consommeraient l’oxygène dissous lors de leur décomposition. Rejetés dans la Nature, cette eau appauvrie en porterait préjudice à la vie aquatique. Ainsi, du dioxygène est injecté dans le bassin. En parallèle, des bactéries ont pour rôle de « digérer » ces matières organiques.
• Traitement bactéricide. Si l’eau traitée est déversée en milieu « sensible » (zone de baignade, …), une désinfection de l’eau par ozone et/ou UV peut être effectuée.
• La filtration. Par des grilles, les résidus solides sont récupérés et éliminés.
• La décantation : l’eau est envoyée dans des bassins, où les matières vont progressivement se déposer au fond. L’eau devient alors de plus en plus transparente. Les boues sont récupérées, et éventuellement valorisées (engrais)
• Traitement secondaire. L’eau est versée dans un bassin d’aération. Elle contient encore des matières organiques, qui consommeraient l’oxygène dissous lors de leur décomposition. Rejetés dans la Nature, cette eau appauvrie en porterait préjudice à la vie aquatique. Ainsi, du dioxygène est injecté dans le bassin. En parallèle, des bactéries ont pour rôle de « digérer » ces matières organiques.
• Traitement bactéricide. Si l’eau traitée est déversée en milieu « sensible » (zone de baignade, …), une désinfection de l’eau par ozone et/ou UV peut être effectuée.
2. Désalinisation de l'eau de mer
L’eau douce (potable) est rare, mais l’eau
salée est abondante, alors pourquoi ne pas utiliser
celle-ci ? L’eau de mer a une concentration en sel de
36 g/L en moyenne, alors que les fluides humains (sang)
sont à 9 g/L. Boire de l’eau de mer
élève le taux de sel au sein de
l’organisme, ce qui le déshydrate et est
dangereux à la longue. L’idée est alors
de désaliniser l’eau de mer pour
espérer la rendre potable. Deux méthodes
principales :
La distillation
Quand de l’eau salée est porté à ébullition, la vapeur d’eau générée est exempte en sel. Ce constat est à la base de la désalinisation par distillation. A pression atmosphérique, l’eau doit être portée à 100 °C pour entrer en ébullition. Par contre, si la pression est abaissée, la température d’ébullition diminue aussi, ce qui limite l’énergie à apporter par chauffage.
Dans le cadre de la désalinisation industrielle par distillation, deux technologies existent :
→ Distillation flash : vaporisation d’une partie de l’eau, par brusque détente du liquide.
→ Distillation à multiples effets : plusieurs évaporateurs en série.
Avantage :
• méthode relativement simple technologiquement.
Inconvénients :
• rejets de saumures (eau très salée) dans la Nature. L’eau rejetée est également chaude, ce qui peut aggraver l’effet environnemental.
• pollution chimique (chlore et cuivre).
• gourmande en énergie (
).
Le chauffage est souvent réalisé par
utilisation de combustibles fossiles : dégagement de
.
L’osmose et l’osmose inverse
Dans un tube en U, on réalise les deux expériences décrites par le schéma ci-dessous. La membrane semi-perméable laisse passer les molécules constituant le liquide (l’eau), mais pas l’espèce chimique dissoute.
Dans le phénomène d’osmose, l’eau va migrer préférentiellement du compartiment le moins concentré (A), vers le plus concentré (B). Cela donne naissance à une force de pression au sein du liquide (pression osmotique), qui va faire que le liquide va monter dans la partie B.
Dans le phénomène d’osmose inverse, une pression est exercée sur le compartiment B, plus forte que la pression osmotique. Les molécules d’eau passent à travers la membrane, pour aller en A. Comme l’espèce chimique dissoute ne peut pas franchir la membrane, la concentration de B augmente de plus en plus. En A, par contre, la concentration diminue.
L’osmose inverse permet de produire de l’eau douce à partir d’eau salée. La pression osmotique de l’eau de mer est de l’ordre de 27 bars. La pression appliquée est de 50 à 80 bars pour les installations industrielles.
Avantages :
• technique non polluante, mis à part les rejets de saumure. Cependant, cette eau est à température ambiante.
• méthode moins couteuse énergétiquement (
)
que la distillation.
• réalisation des dispositifs portables pour utilisation dans des régions difficiles d’accès.
Inconvénient :
• dépend de la solidité et de l’efficacité de la membrane utilisée (taille des pores). Les membranes coutent cher et s’usent avec le temps.
A noter que d’autres méthodes existent, comme l’électrodialyse. Mais, quelle que soit la méthode employée, l’eau pure n’est pas consommable en l’état. En effet, si l’eau de mer n’est pas potable, l’eau pure est aussi dangereuse en consommation régulière. Elle entraine progressivement avec elle les minéraux de l’organisme. Il est ainsi nécessaire de reminéraliser une eau désalinisée afin de la rendre potable.
La distillation
Quand de l’eau salée est porté à ébullition, la vapeur d’eau générée est exempte en sel. Ce constat est à la base de la désalinisation par distillation. A pression atmosphérique, l’eau doit être portée à 100 °C pour entrer en ébullition. Par contre, si la pression est abaissée, la température d’ébullition diminue aussi, ce qui limite l’énergie à apporter par chauffage.
Dans le cadre de la désalinisation industrielle par distillation, deux technologies existent :
→ Distillation flash : vaporisation d’une partie de l’eau, par brusque détente du liquide.
→ Distillation à multiples effets : plusieurs évaporateurs en série.
Avantage :
• méthode relativement simple technologiquement.
Inconvénients :
• rejets de saumures (eau très salée) dans la Nature. L’eau rejetée est également chaude, ce qui peut aggraver l’effet environnemental.
• pollution chimique (chlore et cuivre).
• gourmande en énergie (
).
Le chauffage est souvent réalisé par
utilisation de combustibles fossiles : dégagement de
.L’osmose et l’osmose inverse
Dans un tube en U, on réalise les deux expériences décrites par le schéma ci-dessous. La membrane semi-perméable laisse passer les molécules constituant le liquide (l’eau), mais pas l’espèce chimique dissoute.
Dans le phénomène d’osmose, l’eau va migrer préférentiellement du compartiment le moins concentré (A), vers le plus concentré (B). Cela donne naissance à une force de pression au sein du liquide (pression osmotique), qui va faire que le liquide va monter dans la partie B.
Dans le phénomène d’osmose inverse, une pression est exercée sur le compartiment B, plus forte que la pression osmotique. Les molécules d’eau passent à travers la membrane, pour aller en A. Comme l’espèce chimique dissoute ne peut pas franchir la membrane, la concentration de B augmente de plus en plus. En A, par contre, la concentration diminue.
L’osmose inverse permet de produire de l’eau douce à partir d’eau salée. La pression osmotique de l’eau de mer est de l’ordre de 27 bars. La pression appliquée est de 50 à 80 bars pour les installations industrielles.
Avantages :
• technique non polluante, mis à part les rejets de saumure. Cependant, cette eau est à température ambiante.
• méthode moins couteuse énergétiquement (
)
que la distillation.• réalisation des dispositifs portables pour utilisation dans des régions difficiles d’accès.
Inconvénient :
• dépend de la solidité et de l’efficacité de la membrane utilisée (taille des pores). Les membranes coutent cher et s’usent avec le temps.
A noter que d’autres méthodes existent, comme l’électrodialyse. Mais, quelle que soit la méthode employée, l’eau pure n’est pas consommable en l’état. En effet, si l’eau de mer n’est pas potable, l’eau pure est aussi dangereuse en consommation régulière. Elle entraine progressivement avec elle les minéraux de l’organisme. Il est ainsi nécessaire de reminéraliser une eau désalinisée afin de la rendre potable.
3. Contrôler la qualité d'une eau
a. Titrage du dioxygène dissous
Le taux de dioxygène dissous est un indice
important pour estimer la qualité d’une
eau.
La quantité de dioxygène dissous se mesure par la méthode de Winkler. Tout d’abord, du chlorure de manganèse est mélangé à de l’hydroxyde de sodium, et versé dans l’eau étudiée. Il se produit la réaction
.
Le dioxygène de l’eau à titrer va
alors réagir selon 
.
Ensuite, le milieu est acidifié, ce qui provoque la dissolution des hydroxydes de manganèse :
et 
.
Après, des ions
sont introduits en excès. Avec les ions
,
il y a formation de 
: 
.
Le diode est finalement titré par des ions
thiosulfates : 
.
 dissous (mg/L)
|
supérieur à 7 | entre 5 et 7 | de 3 à 5 | inférieur à 3 |
| numérotation | 1A | 1B | 2 | 3 |
| qualité | eau d’excellente qualité | eau potable | eau industrielle | eau médiocre |
La quantité de dioxygène dissous se mesure par la méthode de Winkler. Tout d’abord, du chlorure de manganèse est mélangé à de l’hydroxyde de sodium, et versé dans l’eau étudiée. Il se produit la réaction
.
Le dioxygène de l’eau à titrer va
alors réagir selon .Ensuite, le milieu est acidifié, ce qui provoque la dissolution des hydroxydes de manganèse :
et .Après, des ions
sont introduits en excès. Avec les ions
,
il y a formation de
: .
Le diode est finalement titré par des ions
thiosulfates : .
b. Indice permanganate
La mauvaise qualité d’une eau peut venir de
sa contamination par des matières
organiques oxydables. Pour
évaluer cette pollution, on fait appel à
l’indice permanganate, défini par la
masse d’oxygène que le permanganate
cède aux matières
oxydables, dans un litre d’eau. On l’exprime
en mg/L. Une eau doit présenter un indice
permanganate inférieur à 5 mg/L ; elle est
de bonne qualité en dessous de 1 mg/L.
Le principe du test d’ajouter du
acidifié à l’eau
étudiée, et de porter à
ébullition 10 minutes. Une part des ions
permanganates réagit avec les matières
organiques. La part restante est consommée par des
ions oxalates 
rajoutés en excès après le chauffage
:
.
Les
restants sont titrés par une solution de
permanganate de potassium 
.
Une variante de la technique décrite ici consiste à remplacer les ions oxalates par
. D’autres tests
existent afin d’estimer la pollution d’une
eau par les matières organiques, comme la
demande chimique en oxygène (DCO), etc.
cède aux matières
oxydables, dans un litre d’eau. On l’exprime
en mg/L. Une eau doit présenter un indice
permanganate inférieur à 5 mg/L ; elle est
de bonne qualité en dessous de 1 mg/L.Le principe du test d’ajouter du
acidifié à l’eau
étudiée, et de porter à
ébullition 10 minutes. Une part des ions
permanganates réagit avec les matières
organiques. La part restante est consommée par des
ions oxalates
rajoutés en excès après le chauffage
:.Les
restants sont titrés par une solution de
permanganate de potassium .Une variante de la technique décrite ici consiste à remplacer les ions oxalates par
. D’autres tests
existent afin d’estimer la pollution d’une
eau par les matières organiques, comme la
demande chimique en oxygène (DCO), etc.
c. Titrage des ions chlorures
La présence d’ions chlorures est directement
liée à sa salinité. Afin
d’estimer leur concentration, deux méthodes
:
• La méthode de Mohr. Des ions chromates
sont rajoutés en petite quantité dans la
solution à titrer. Puis, du nitrate d’argent
est progressivement versé à la burette.
Jusqu’à l’équivalence, les ions
argent réagissent avec les ions chlorures
titrés selon 
,
formant un précipité blanc. Dès
l’équivalence, les ions argent
rajoutés réagissent avec les 
selon 
,
formant un précipité rouge (indicateur
de fin de réaction).
• La méthode de Volhard-Charpentier. Un excès d’ions argent est versé dans la solution à titrer, consommant tous les ions chlorures :
.
Les ions argent restants sont titrés par des ions
thiocyanates 
selon la réaction
de titrage 
.
L’équivalence est détectée par
rajout d’ions ferriques 
,
car dès l’équivalence, la
réaction 
colore le milieu en rouge.
• La méthode de Mohr. Des ions chromates
sont rajoutés en petite quantité dans la
solution à titrer. Puis, du nitrate d’argent
est progressivement versé à la burette.
Jusqu’à l’équivalence, les ions
argent réagissent avec les ions chlorures
titrés selon ,
formant un précipité blanc. Dès
l’équivalence, les ions argent
rajoutés réagissent avec les
selon ,
formant un précipité rouge (indicateur
de fin de réaction).• La méthode de Volhard-Charpentier. Un excès d’ions argent est versé dans la solution à titrer, consommant tous les ions chlorures :
.
Les ions argent restants sont titrés par des ions
thiocyanates selon la réaction
de titrage .
L’équivalence est détectée par
rajout d’ions ferriques ,
car dès l’équivalence, la
réaction colore le milieu en rouge.
L'essentiel
L’eau potable est une ressource
précieuse, car rare dans de nombreuses
régions du Monde. L’eau douce est rendue
potable par certains traitements, visant notamment
à retirer tout élément nocif
(pesticides, bactéries, virus). Les eaux
usées subissent elles aussi un traitement, afin de
pouvoir les déverser dans la Nature sans crainte pour
l’environnement.
L’eau salée peut être désalinisée par exemple par distillation ou par osmose inverse, afin de produire de l’eau douce qui pourra être rendue potable.
Une eau est potable si elle satisfait certaines contraintes : taux en dioxygène dissous, présence de matières organiques oxydables, etc. Il existe des manipulations visant alors à estimer la qualité d’une eau, selon ces divers paramètres.
L’eau salée peut être désalinisée par exemple par distillation ou par osmose inverse, afin de produire de l’eau douce qui pourra être rendue potable.
Une eau est potable si elle satisfait certaines contraintes : taux en dioxygène dissous, présence de matières organiques oxydables, etc. Il existe des manipulations visant alors à estimer la qualité d’une eau, selon ces divers paramètres.
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