EAU Approvisionnement et traitement

Qualité de l'eau

Les qualités exigibles d'une eau d'alimentation impliquent la garantie de son innocuité vis-à-vis de l'homme et des animaux qui seront appelés à la consommer. Les exigences des consommateurs, très rigoureuses dans certains pays et plus particulièrement dans certaines contrées ou villes habituées à des eaux de qualité organoleptique excellente, s'atténuent par accoutumance et peuvent s'adapter à des conditions particulières. Ainsi le goût prononcé d'hypochlorite (« de chlore ») de certaines eaux de distribution aux États-Unis et dans les pays de l'Est (Pologne, ex-U.R.S.S., République tchèque et Slovaquie) est insupportable pour les Français, et inversement la disparition de cette saveur particulière inquiète ceux qui y sont habitués.

Une eau potable doit présenter un certain nombre de caractères physiques, chimiques, biologiques et en outre répondre à des critères organoleptiques essentiels (elle doit être incolore, insipide, inodore, fraîche) appréciés par le consommateur. Toutefois, ses qualités ne peuvent pas se définir dans l'absolu, ni d'une manière inconditionnelle. L' Organisation mondiale de la santé (O.M.S.) a édicté des normes internationales (appelées « recommandations ») pour l'eau de boisson, qui comprennent notamment des paramètres bactériologiques, physiques, chimiques, biologiques et radiologiques. Un chapitre additionnel précise les qualités exigibles des eaux de captage. De nombreux pays ont par ailleurs établi des critères de qualité. L'Union européenne a établi plusieurs directives que les États membres doivent appliquer.

Les eaux souterraines sont d'autant plus pures (particulièrement sur le plan bactériologique) qu'elles se trouvent situées à une grande profondeur, surtout lorsqu'elles sont protégées par une couche imperméable de l'introduction plus ou moins directe des eaux de surface. Ces dernières (cours d'eau, lacs, réservoirs) sont toujours sujettes à des contaminations temporaires ou permanentes. Elles ont l'inconvénient d'avoir une température assez variable, élevée pendant la saison chaude, et ne peuvent être livrées à la consommation sans traitement préalable.

Avant de projeter un traitement, il est indispensable, d'une part, de respecter un certain nombre de critères que l'eau captée doit satisfaire, et, d'autre part, de procéder à des prélèvements et analyses. À cet égard, il ne faut jamais perdre de vue que les résultats fournis par une analyse définissent les caractéristiques de l'échantillon d'eau dans l'état où il se trouve au moment où les mesures sont effectuées (état instantané). L'analyse doit être effectuée le plus rapidement possible et toutes les précautions doivent être prises pour éviter l'altération de certaines caractéristiques au cours du transport et des manipulations exigées par l'application des méthodes de mesure. Toutefois, certaines caractéristiques de l'eau présentent une grande instabilité, et il peut arriver que l'analyse ponctuelle ne fournisse pas une image exacte de la qualité moyenne de l'eau, surtout dans le cas des eaux superficielles. Par ailleurs, les données fournies par l'analyse exigent souvent un ajustement périodique des traitements. Comme la matière première (l'eau captée) varie elle-même dans le temps, il est rare d'obtenir une eau traitée rigoureusement constante en qualité. Ce sont les méthodes de contrôle, bien plus que les méthodes d'investigation, qui permettent d'appliquer le traitement adéquat pour remédier aux éventuels défauts constatés. En outre, le traiteur d'eau, pour que sa mission soit remplie, doit fournir une eau présentant les qualités requises, non seulement à la sortie des installations de traitement, mais encore au moment où elle est consommée. Il faut nécessairement tenir compte de l'évolution dont elle est inéluctablement l'objet entre le moment où elle est produite et celui où elle est consommée après passage dans les ouvrages d'adduction et le réseau de distribution.

Application des directives européennes

La directive européenne de 1998 est inspirée par le principe de « subsidiarité ». Elle ne vise que ce qui doit obligatoirement être fixé à l'échelon européen en laissant à chaque État le soin de traiter de tous les autres paramètres considérés comme moins essentiels. En revanche, pour les paramètres de la directive, leur application stricte, ou plus sévère, doit être respectée.

Cette directive a été traduite en droit français sous forme d'un décret, publié en décembre 2001, repris par le Code de la santé publique sous la forme du décret 2003-461 du 20 mai 2003. Pour simplifier et résumer, ce décret impose, en France, de respecter 56 paramètres de qualité chimique et bactériologique :

– 31 limites de qualité (parmi lesquelles 28 paramètres dits « obligatoires » de la directive européenne) ;

– 25 références de qualité (parmi lesquelles 20 paramètres dits « indicateurs » de la directive).

C'est notamment en raison de l'accroissement des exigences de qualité depuis les années 1970 que sont venus s'adjoindre, aux traitements traditionnels en usage dans les années 1950, les traitements d'affinage faisant appel à l'adsorption par le charbon actif, à l'oxydation par l'ozone, à la biotransformation et l'élimination des corps azotés, aux rayons ultraviolets et aux procédés à membranes. Ces derniers viennent de faire, dans le domaine des eaux potables, une percée décisive. Ils consistent à forcer le passage de l'eau au travers de membranes d'une porosité de l'ordre du nanomètre au micromètre en éliminant ainsi toute substance et organisme de plus grande dimension. La chaîne classique de départ du traitement de l'eau (clarification, filtration, stérilisation), utilisée dans la première moitié du xx^e siècle, s'est transformée peu à peu en une filière complexe de processus physico-chimiques et biologiques qui se combinent de multiples façons suivant la « personnalité » de l'eau à traiter. La mise en œuvre de cet assemblage doit être souple et adaptable aux variations de la qualité de l'eau brute fournie, ce qui conduit notamment à la mise en place d'un contrôle poussé permanent et automatisé à tous les stades de la filière.

Traitements mécaniques et physico-chimiques traditionnels

Traitements pour les eaux souterraines

Les eaux souterraines sont généralement de très bonne qualité et ne nécessitent qu'une désinfection avant distribution (cf. ci-après Traitement des facteurs microbiologiques et viraux). Toutefois la présence de certaines substances naturelles gênantes peut nécessiter un traitement spécifique. Parmi ces causes, les plus fréquemment rencontrées sont la turbidité (eau souterraine en zone karstique), la présence de fer et de manganèse, ainsi que, plus rarement en France, d'arsenic, de sélénium et de fluor.

La turbidité (« eaux troubles »), phénomène souvent épisodique, a longtemps été traitée par filtration directe sur masse granulaire, précédée d'une coagulation (ou collage sur filtre). Ces opérations, décrites ci-après, sont aujourd'hui remplacées par les procédés de microfiltration et d'ultrafiltration qui consistent à faire passer l'eau au travers de membranes filtrantes de porosité de l'ordre du micromètre (pour la microfiltration) à quelques centièmes de micromètre (pour l'ultrafiltration), sous l'effet d'une pression plus ou moins élevée (0,1 à 0,7 mégapascals).

Le fer et le manganèse sont présents sous forme dissoute (réduite) dans les eaux souterraines, eaux qui sont également appauvries en oxygène et riches en anhydride carbonique. Il faut donc effectuer une aération. Pour cela, l'eau traverse un lit de percolation, constitué de matériaux naturels ou artificiels d'une granularité déterminée, conduisant ainsi à une augmentation de la teneur en oxygène dissous, à une diminution de la teneur en dioxyde de carbone et, donc, à une oxydation du fer et du manganèse, sous forme d'hydroxyde ferrique et de dioxyde de manganèse. Les précipités d'hydroxydes sont ensuite séparés de l'eau généralement par filtration sur lit de sable. Dans la plupart des cas, et si les conditions le permettent, il se développe des bactéries spécifiques du fer ou du manganèse, qui facilitent énormément la précipitation des métaux en hydroxydes (c'est la déferrisation et démanganisation biologique). Il est parfois nécessaire d'utiliser un oxydant (ozone ou permanganate de potassium) pour oxyder le manganèse.

Traitements pour les eaux douces superficielles

Pour les eaux douces superficielles (cours d'eau et retenues), les opérations préliminaires comprennent un dégrillage, parfois suivi d'un tamisage. Les eaux brutes parviennent à la station par une canalisation (ou un canal) et traversent les grilles qui retiennent les matières grossières : feuilles, morceaux de bois, déchets divers. Les eaux peuvent être ensuite amenées dans un canal, longitudinal ou circulaire (dessablage), où leur vitesse est calculée de façon à permettre le dépôt des « grosses » matières en suspension.

Les premières étapes de traitement des eaux douces superficielles sont généralement une coagulation suivie d'une floculation. Le premier procédé consiste en un dosage judicieux d'un sel d'aluminium (sulfate d'aluminium) ou de fer (chlorure ferrique) qui conduit à l'annulation des charges électriques des particules colloïdales (matières en suspension très fines, de taille inférieure au micromètre), leur conférant ainsi la possibilité de s'agglomérer en « floc ». L'efficacité de cette coagulation dépend des caractères physico-chimiques de l'eau traitée et en particulier de son pH. La floculation suit immédiatement la coagulation. Elle permet la formation des « flocs » et dépend principalement de l'agitation que l'on fait subir aux eaux coagulées. La floculation est parfois significativement améliorée par introduction d'un autre réactif chimique appelé « floculant », d'origine soit naturelle (amidon, silice activée, alginates), soit de synthèse (polymère anionique). De ce traitement dépendent l'importance et l'homogénéité de la taille des flocons formés, donc leur vitesse de chute (dimensions et densité) et leur cohésion (solidité). Ces premières étapes de traitement sont primordiales pour la limpidité de l'eau (turbidité, couleur).

La deuxième série d'étapes de traitement des eaux superficielles s'appelle la clarification. Elle commence par une décantation (en décanteur), souvent combinée avec la floculation (économie de génie civil, protection éventuelle du floc formé). Des progrès importants dans la technologie des décanteurs ont été apportés ces dernières décennies, visant à réduire sensiblement le coût et surtout l'encombrement des ouvrages. Ils résident dans l'utilisation de lamelles, améliorant le rendement du décanteur, ou l'ajout de micro-sable servant de lest pour les flocs et d'amplificateur de la floculation. Cette décantation peut être remplacée par une flottation, où les flocs sont « attelés » à des bulles d'air (générées dans l'eau) leur permettant ainsi de flotter. On procède ensuite à une filtration sur matériaux granulaires ( sable, anthracite, charbon actif). Le sable siliceux (0,9 mm à 1 mm) est le matériau le plus utilisé dans les filtres. La rétention des matières solides contenues dans l'eau provoque un colmatage progressif des interstices, qui s'accompagne d'une perte de charge croissante subie par le courant d'eau. La surface du filtre doit être toujours submergée par environ un mètre d'eau. Pour une granulométrie de 0,9 ou 1 mm et une masse filtrante de l'ordre d'un mètre d'épaisseur, on peut obtenir une vitesse de filtration (en filtration rapide) de 5 à 15 mètres cubes d'eau filtrée par mètre carré de filtre et par heure (m³/m²/h) avec des durées de fonctionnement de huit à cinquante heures. Par le passé, on adoptait des vitesses de passage de l'ordre de 0,1 m³/m²/h (filtration lente encore parfois utilisée aujourd'hui), avec pour inconvénient majeur une grande occupation de surface de sol. Les opérations de nettoyage des filtres sont rapides et nécessitent une quantité d'eau filtrée représentant 2 à 5 p. 100 de la production globale.

La dernière série d'étapes de traitement consiste, d'une part, à affiner le traitement et donc à améliorer la qualité de l'eau produite (cf. Traitements d'affinage), puis, d'autre part, à la désinfecter. La désinfection est obligatoire, quelle que soit la qualité de l'eau brute. Les traitements de finition, longtemps réservés seulement aux gros débits et/ou aux eaux superficielles contaminées, sont généralement toujours mis en œuvre aujourd'hui à cause des risques de pollution chimique et bactériologique, mais également à cause du durcissement de la réglementation.

Traitements d'affinage

Quelle que soit l'origine de la ressource (eau souterraine ou superficielle), les traitements spéciaux ou d'affinage concernent les nombreux paramètres chimiques qui sont visés par la directive européenne de 1998. Ces composés chimiques proviennent du lessivage naturel des sols ou des roches souterraines, des rejets industriels et urbains, de l'activité agricole ou agroalimentaire et des produits utilisés dans le traitement lui-même ou formés au cours de celui-ci (ces derniers sont appelés « sous-produits »). On peut distinguer les paramètres exprimés en mg/l ou parts par million (bore, cuivre, fluorures, nitrates, nitrites, ammoniac, etc.) et les paramètres exprimés en μg/l ou parts par milliard, qui concernent les micropolluants (métaux lourds toxiques, hydrocarbures, pesticides, résidus pharmaceutiques, sous-produits de traitement, etc.).

Une élimination suffisante de l'ensemble de ces substances dépasse les procédés classiques simples et présente souvent des contraintes techniques et onéreuses. Bien que de nombreuses techniques d'affinage existent, il est plus cohérent à l'échelon global, quand cela est possible, de porter l'effort en amont du captage en traitant les rejets polluants, en modifiant les processus industriels qui en sont responsables ou en agissant sur les pratiques culturales. Ces mesures, prises en amont, n'ont pas un résultat immédiat sur les pollutions diffuses. Il est alors nécessaire d'introduire dans la filière des stades complémentaires faisant appel à la fois à des processus biologiques (nitrification pour éliminer l'ammonium, dénitrification pour éliminer les nitrates...), à des processus d'adsorption (par exemple, l'adsorption sur charbon actif pour éliminer les pesticides et autres micropolluants organiques), d'oxydation (par exemple, l'ozonation pour limiter la formation de sous-produits de chloration) et de filtration sur membranes (par exemple l'ultrafiltration, seule ou couplée à l'ajout de charbon actif en poudre, et la nanofiltration permettant d'atteindre plusieurs objectifs de qualité).

Traitement des facteurs microbiologiques et viraux

L'eau distribuée ne doit pas être le vecteur de maladies d'origine hydrique telles que les diverses dysenteries bacillaires ou à protozoaires, les diverses typhoparatyphoïdes, le choléra et les maladies à virus. La recherche des organismes infectieux dans l'eau étant très longue et demandant des manipulations successives minutieuses, elle n'est utile que pour la recherche de responsabilités dans le cas d'une contamination et pour la mise au point des nouveaux procédés de traitement. En revanche, pour des opérations de contrôle, des tests globaux de contamination fécale à réponse rapide sont effectués, les germes pathogènes étant principalement d'origine fécale. Les tests consistent à déceler la présence de germes-tests tels que E. Coli et des entérocoques. L'absence de tels micro-organismes permet d'affirmer, avec une très grande probabilité, la salubrité de l'eau examinée. La rapidité d'obtention du résultat (moins de 24 heures) permet, en cas de présence de germes, la mise en œuvre de traitements complémentaires ou plus fortement dosés, le déclenchement d'une opération de contrôle des installations de traitement et peut même conduire, éventuellement, à l'arrêt provisoire de la distribution.

Il est important de mentionner que, quelle que soit la qualité de la ressource, toute distribution d'eau doit faire l'objet d'une étape de désinfection, ne serait-ce que pour la protéger d'une contamination éventuelle dans le réseau de distribution et jusqu'au robinet du consommateur. Il est donc tout à fait normal que l'eau présente une légère odeur de chlore au robinet. Dans le cas contraire (notamment dans certains pays étrangers), il est fortement déconseillé de la consommer sans l'avoir stérilisée (à chaud) ou désinfectée (par ajout de réactifs chimiques vendus à cet effet).

En l'absence de matières organiques en quantité significative, l'obtention d'une bonne limpidité de l'eau permet aux traitements classiques de désinfection de procurer de bons résultats à la sortie des stations. Lorsque ce n'est pas le cas, il faut traiter cette eau pour que soit assurée une bonne salubrité de l'eau produite et surtout pour éviter des effets secondaires tels que saveurs, odeurs et prolifération de germes dans le réseau de distribution. Pour détruire les germes pathogènes, les principales méthodes de désinfection utilisées sont fondées sur l'introduction de chlore ou de ses dérivés (chloration), d'ozone (ozonation) et, beaucoup plus rarement, sur l'emploi de rayons ultraviolets.

L'injection de chlore gazeux ou de l'hypochlorite de sodium (eau de Javel), désinfectants qui sont efficaces à très faible dose (à pH inférieur à 8), est appelée chloration. Elle est pratiquée en fin de traitement, avant distribution. Elle consiste en l'addition d'une légère dose de désinfectant de manière à assurer le maintien d'un certain taux résiduel (0,3 à 0,6 g/m³) dans les réseaux de distribution. Une bonne désinfection par le chlore n'est obtenue qu'après 30 à 40 minutes de contact. Son principal inconvénient est de former des micropolluants organiques chlorés (ou sous-produits de désinfection) par réaction du chlore avec les matières organiques naturellement présentes dans les eaux. La teneur en ces micropolluants est réglementée sous l'appellation « trihalométhanes », groupe de composés organo-halogénés dont le plus présent est le chloroforme.

On peut aussi faire appel au dioxyde de chlore, gaz très oxydant qui présente l'avantage de produire très peu de composés organo-halogénés et d'avoir un pouvoir décolorant et désodorisant puissant. Toutefois, son utilisation est limitée car son principal sous-produit de désinfection, le chlorite, est également réglementé à une teneur maximale admissible très faible.

Le désinfectant chimique le plus efficace est l'ozone qui est un gaz très instable et un oxydant très puissant, peu soluble dans l'eau. On le produit en faisant circuler de l'air sec, soigneusement filtré et desséché, ou de l'oxygène pur, entre des électrodes mises sous haute tension. Pour désinfecter l'eau (après filtration), il faut 1 à 4 g d'ozone par mètre cube. Le mélange d'air ozoné à concentration élevée (15 à 25 g/m³ d'air) et d'eau à traiter peut s'obtenir en injectant l'air ozoné en bas de colonnes où l'eau s'écoule à contre-courant (de haut en bas) ou en injectant l'air ozoné à l'aide de diffuseurs disposés au fond de bassins profonds. La désinfection par l'ozone est rapide et efficace, notamment vis-à-vis des virus ; il suffit de maintenir un léger excès de 0,4 g/m³ pendant 10 à 15 minutes. Ce maintien d'un excès de 0,4 g/m³ pendant le temps imparti exige, en raison de l'instabilité de l'ozone, l'application d'un taux de traitement de deux à dix fois plus élevé. On obtient en outre la suppression des goûts et des odeurs, ainsi qu'une excellente décoloration. Toutefois, comme l'excès d'ozone s'élimine de lui-même en se transformant spontanément en oxygène, il est indispensable d'introduire du chlore (ou des dérivés) avant la distribution, pour maintenir la qualité bactériologique de l'eau dans le réseau. L'ozonation est un procédé couramment utilisé dans les pays industrialisés. Son inconvénient est la formation d'un sous-produit, le bromate, sévèrement réglementé. Des conditions particulières de la pratique de l'ozonation permettent de limiter significativement la formation de ce sous-produit de désinfection. L'ozone est aussi utilisé en préozonation, étape de traitement des eaux qui consiste à dégrader les molécules organiques et faciliter la biodégradabilité.

Les rayons ultraviolets exigent, pour être efficaces, que l'eau traitée soit parfaitement transparente, ce qui nécessite des traitements antérieurs. Ils présentent l'avantage de ne pas générer de sous-produits de désinfection, mais l'inconvénient de ne pas assurer une présence résiduelle de désinfectant dans le réseau de distribution.

Paramètres organoleptiques et techniques

Les paramètres organoleptiques et techniques ne sont pas explicitement mentionnés en tant que tels dans la réglementation, mais ils sont englobés dans les paramètres qui conduisent à des mesures correctives ou à des restrictions d'usage. Un désagrément souvent rencontré est celui des eaux fortement entartrantes (dites « eaux calcaires »), phénomène dû à des teneurs en calcium et en hydrogénocarbonate trop élevées (supérieures à 100 mg/l pour le calcium et 300 mg/l pour l'hydrogénocarbonate). C'est à ces paramètres que les consommateurs sont le plus directement sensibles. Leur respect doit conduire à une eau d'emploi agréable et ne procurant pas d'inconvénients aux installations. Ils incluent la couleur, l'odeur, la saveur, la minéralisation de l'eau. Comme dans le cas de la désinfection, les traitements traditionnels simples ne peuvent être efficaces que si la présence de ces substances gênantes est faible dans l'eau brute. Dans le cas contraire, des problèmes apparaissent et conduisent à des filières de traitement plus complexes.

Pour le « calcaire », une solution est d'appliquer un traitement de finition à domicile, comme l'adoucissement ménager. Toutefois, il est recommandé de prendre toujours conseil auprès de spécialistes avant de pratiquer ces traitements et avant de consommer l'eau produite pour la boisson.