Production d'eau potable, traitement des eaux - Maxicours

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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).
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.
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.
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.
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.

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.
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.
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.

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