L'eau, matière précieuse Exposés de la classe de 2°7 année 2004/2005

Nous avons constaté que l'eau était de plus en plus polluée ce qui provoque une dégradation de l'environnement.
Nous pouvons pensé qu'une amélioration du traitement des eaux usées pourrait atténuer cette pollution et offrir une vie plus longue à notre planète. C'est pourquoi nous avons étudié l'évolution du traitement des eaux du Moyen-Age jusqu'à aujourd'hui pour voir comment les hommes trouvent des solutions à ce problème qui touche toute la Terre.

I : Du Moyen-Age à aujourd'hui :

Le peuple jetait ses ordures (déchets, déjections, nourritures...) par les fenêtres de leur maison. Ces déchets tombaient dans les caniveaux situés au milieu de la ruelle, on pouvait ainsi distinguer les castes même sans entrer dans leur maison ! Cette accumulation était partiellement nettoyée par les orages, les déchets arrivaient directement dans les rivières sans filtrage. Une autre partie des déchets était consommée par les rats, mais il en restait toujours ce qui donnait régulièrement naissance à de grandes épidémies.

Les premières améliorations apparurent dans les années 1663 et 1685. Toutes les solutions seront exploitées pour mieux canaliser l'eau : construction de pompes conçues par Le Vau, de moulins à vent à Clagny, d'aqueducs souterrains, du moulin de Launay et de la célèbre machine de Marly qui acheminera l'eau de la Seine au château de Versailles.

Mais jeter ses déchets et d'autres produits comme au Moyen Âge directement dans les rivières, existe encore. Malheureusement dans certains pays pauvres comme à Varanasi, en Inde, les rivières servent de toilettes, machines à laver... ce qui pose un énorme problème de propreté.

Dans les pays développés, des procédés de traitement des eaux usées sont utilisés dans les installations municipales. Ils sont régulièrement améliorés pour être de plus en plus performant.

II : L'épuration actuelle des eaux usées :

1) Traitement primaire :

Les eaux usées qui pénètrent dans une installation de traitement contiennent des débris susceptibles d'obstruer ou d'endommager les pompes et les mécanismes. Ces matériaux sont extraits par des cribles, grillages ou barreaux verticaux et les débris sont incinérés ou enfouis après un tri manuel ou mécanique. Les eaux usées traversent alors un broyeur dans lequel les feuilles et autres matériaux organiques sont réduits afin de garantir ensuite un traitement et une élimination performants.

L'eau gagne ensuite le bassin de dessablement. Par le passé, ce type de bassin était un réservoir long et étroit utilisé pour évacuer les matériaux inorganiques ou minéraux, tels que le sable, la vase, le gravier et les cendres. Ces bassins étaient conçus pour permettre aux particules inorganiques de 0,2 mm ou plus de se déposer au fond pendant que les particules plus petites et la plupart des solides organiques restant en suspension passaient au travers.
Aujourd'hui sont utilisés le plus fréquemment, des bassins de dessablement aérés à mouvement rotatif à fond pyramidal ou des clarificateurs munis de bras racloirs. Le sable est extrait et mis en décharge. L'accumulation de sable peut atteindre entre 0,08 et 0,23 m3 pour 3,8 millions de litres d'eaux usées.

La sédimentation est l'étape qui fait suite à l'extraction du sable et au cours de laquelle les eaux usées sont acheminées vers une cuve de sédimentation dans laquelle la matière organique se dépose avant d'être extraite pour être éliminée. Le processus de sédimentation peut permettre d'extraire de 20 à 40% environ de la DBO5 et de 40 à 60% des solides en suspension.
Dans certaines stations industrielles de traitement des déchets, le degré de sédimentation est accru en faisant appel à des procédés dits de coagulation et de floculation chimiques des eaux usées dans la cuve de sédimentation. Coagulation et floculation peuvent éliminer plus de 80% des particules en suspension.

La flottation est une alternative à la sédimentation. Elle est utilisée dans le traitement de certaines eaux usées : de l'air est introduit dans les eaux usées à une pression pouvant aller de 1,75 à 3,5 kg/cm². Les eaux usées, sursaturées d'air, sont alors déversées dans une cuve ouverte ; là, les bulles d'air entraînent les solides en suspension vers la surface, formant une écume qui est enlevée. La flottation peut permettre d'éliminer plus de 75% des solides en suspension.

La digestion est un procédé microbiologique transformant la boue organique chimiquement complexe en méthane, dioxyde de carbone et en un matériau non toxique semblable à de l'humus. Les réactions se déroulent dans un réservoir clos ou digesteur dans des conditions anaérobies, c'est-à-dire en l'absence d'oxygène. La transformation s'effectue au cours d'une série de réactions. Tout d'abord la matière solide est rendue soluble par des enzymes, ensuite le produit est fermenté par un groupe de bactéries acidifiantes, procédé qui le réduit à des acides organiques simples, tels que l'acide acétique. Les acides organiques sont alors transformés par les bactéries en méthane et en dioxyde de carbone. La boue épaissie est chauffée et versée le plus régulièrement possible dans le digesteur où elle séjourne entre 10 et 30 jours pour y être décomposée.
Par la digestion, on atteint une réduction de la matière organique de 45 à 60%.

Le séchage est un stade de traitement pendant lequel la boue digérée est placée sur des lits de sable pour un séchage à l'air libre. La percolation dans le sable et l'évaporation sont les étapes essentielles du processus de déshydratation. Pour être tout à fait performant, le séchage à l'air requiert un temps sec et relativement chaud ; certaines installations disposent de structures semblables à des serres permettant d'abriter les lits de sable.
Le plus souvent, la boue séchée est utilisée comme améliorant pour les sols, parfois comme engrais en raison des 2% d'azote et 1% de phosphore qu'elle renferme.

2) Traitement secondaire

C'est une technique de réduction biologique de la matière organique restant dans le flux liquide après élimination de 40 à 60% des solides en suspension et de 20 à 40% de la DBO5 par les procédés physiques du traitement primaire. Les procédés microbiens habituellement utilisés sont aérobies, c'est-à-dire que les organismes agissent en présence d'oxygène dissous. Le traitement secondaire est en fait une technique qui exploite et accélère le processus naturel d'élimination des déchets. En présence d'oxygène, les bactéries aérobies transforment la matière organique en composés stables, tels que le dioxyde de carbone, l'eau, les nitrates et les phosphates. La production de nouveaux matériaux organiques est le résultat indirect du traitement biologique, et cette matière doit être éliminée avant que les eaux usées ne parviennent dans le milieu collecteur.

Le filtre percolateur est un procédé qui donne lieu à la répartition intermittente d'un flux de déchets sur un lit ou une colonne d'un certain type de milieu poreux. Un film gélatineux de micro-organismes recouvre le milieu et se comporte comme un agent extracteur. La matière organique présente dans le flux de déchets est absorbée par le film microbien et transformée en dioxyde de carbone et en eau. Lorsque la technique du filtre percolateur est précédée d'une sédimentation, il est possible d'éliminer environ 85% de la DBO5 pénétrant dans l'installation.

Procédé aérobie au cours duquel les particules gélatineuses des boues sont en suspension dans une cuve d'aération et alimentées en oxygène. Les particules de boues activées, dites flocs, se composent de millions de bactéries se multipliant rapidement et liées entre elles par un dépôt visqueux. La matière organique est absorbée par les flocs et transformée en produits aérobies. La réduction de la DBO5 est de l'ordre de 60 à 85%.

Dispositif annexe important de toute installation ayant recours aux boues activées ou au filtre percolateur, le second clarificateur sépare les bactéries du flux liquide avant évacuation.

Le bassin ou étang de stabilisation est une autre forme de traitement biologique nécessitant de vastes superficies, par conséquent habituellement mis en œuvre dans des zones rurales. Les étangs facultatifs, ou ceux fonctionnant dans des conditions mixtes, sont les plus répandus. Ils ont une profondeur de 0,6 à 1,5 m et s'étendent sur plusieurs hectares. Dans la zone la plus profonde, là où se décomposent les solides, les conditions sont essentiellement anaérobies; la zone proche de la surface est aérobie, ce qui permet l'oxydation de la matière organique dissoute et colloïdale. Une réduction de 75 à 85% de la DBO5 peut être atteinte.

3) Traitement élaboré (ou tertiaire) des eaux usées :
Le traitement élaboré des eaux usées peut être nécessaire si le milieu récepteur de l'eau exige un traitement plus poussé ou si l'effluent final est destiné à être réutilisé.
Le terme de traitement tertiaire est souvent utilisé comme synonyme de traitement élaboré, mais les deux méthodes ne sont pas exactement identiques. Le traitement tertiaire, ou de troisième degré, est en principe utilisé pour éliminer le phosphore, alors que le traitement élaboré peut comprendre des étapes supplémentaires en vue d'améliorer la qualité de l'effluent en éliminant les polluants réfractaires. On dispose de techniques permettant d'éliminer plus de 99% des solides en suspension et de la DBO5. Si les eaux usées doivent être réutilisées, on considère la désinfection par un traitement à l'ozone comme la méthode la plus fiable, mise à part celle de la chloration finale.
Les applications de ces méthodes de traitement élaboré ainsi que d'autres sont appelées à se généraliser dans les années à venir, compte tenu des efforts entrepris pour préserver l'eau en la réutilisant.

4) Rejet l'eau traitée :
L'eau est déversée direct dans un cours d'eau ou dans un lac récepteur.

5) Fosse septique
C'est un procédé généralement utilisé pour le traitement des eaux d'égoût domestiques. Il s'agit d'une cuve en béton, en parpaing ou en métal dans laquelle les solides se déposent et les matériaux flottants remontent à la surface. Le liquide en partie épuré s'écoule d'un exutoire plein vers des tranchées comblées par des roches à travers lesquelles les eaux usées peuvent couler et s'infiltrer dans le sol où elles seront oxydées en aérobie. La matière qui surnage et les solides qui se sont déposés peuvent être conservés entre six mois et plusieurs années, pendant lesquels ils subissent une décomposition anaérobie.

III) Demain :

1) Réutilisation des eaux usées traitées :
Les régions du monde qui doivent faire face à des pénuries d'eau de plus en plus graves, se tournent vers la réutilisation des eaux usées ayant subi un traitement approprié, afin de préserver les eaux souterraines. L'eau traitée est utilisée pour l'usage domestique ou industriel, pour l'irrigation des cultures non comestibles, les procédés industriels, les loisirs...
Par exemple, l'Usine expérimentale de retraitement de l'eau à Denver, au Colorado (États-Unis), repose sur les étapes classiques de traitement primaire et secondaire suivies d'une clarification à la chaux pour éliminer les composés organiques en suspension. Au cours de ce procédé, un état alcalin (pH élevé) est créé pour en améliorer le déroulement. Au stade suivant, on fait appel à la recarbonatation pour obtenir un niveau de pH neutre. L'eau est ensuite filtrée par plusieurs couches de sable et de charbon et l'ammonium est éliminé par ionisation. Les pesticides et tout autre matériau organique dissous encore présents sont absorbés par un filtre granuleux au charbon actif. Les virus et bactéries sont alors tués par ozonisation. À ce stade, l'eau devrait être épurée de tout contaminant mais, pour plus de sécurité, on a recours à un deuxième niveau d'adsorption par charbon ; du dioxyde de chlore est ajouté pour obtenir la meilleure qualité d'eau possible.

2) Notre proposition :
En allant visiter une station d'épuration, nous avons pensé à une idée qui pourrait être mise en place. Elle pourrait être bénéfique pour l'environnement en ayant deux utilités.
Il s'agirait de construire un puits qui pourrait être capable de conserver une énorme quantité d'eau. En effet, quand il pleut énormément certaines stations n'arrivent plus à purifier toute l'eau et la rejette directement dans la rivière ou ru alors qu'elle est encore impure et infestée de bactéries, de déjections, et de matières grasses (même des huiles provenant de vidanges sauvages !). Au lieu de la rejeter directement dans la rivière, l'eau irait dans le puits et serait traitée après le passage de la pluie.
De plus, en gardant toujours de l'eau dans le puits, cette réserve d'eau pourrait servir au maintien de la bonne régulation de l'eau pour que le niveau de la rivière soit convenable, assurant la survie des poissons, en cas de sécheresse.
Pour mettre en place ces deux solutions, soit il faudrait construire deux puits: un pour garder l'eau en cas d'averse et un pour garder le bon niveau d'eau dans la rivière ; soit n'en construire qu'un seul, mais il faudrait connaître les prévisions météorologiques et avoir une bonne régulation de l'eau car si en été on prévoit une grande sécheresse (donc remplissage du puits) alors que le lendemain il y a une averse le puits ne pourrait pas tout contenir et l'on verrait les mêmes problèmes qu'auparavant...

Conclusion
Le traitement de l'eau a subi une lente évolution mais on espère que grâce aux progrès technologiques, nous pourrons reverser un jour de l'eau dans les rivières aussi propre que l'eau minérale qu'on boit tous les jours!

Sources :
- Un document de la SEVESC (Syndicat intercommunal pour la gestion du service des Eaux de Versailles et de Saint Cloud)
- http://www.cieau.com

Lexique :
Adsorption : action de purifier !'eau.
Coagulation : injection des produits chimiques, tels que du sulfate d'aluminium ou du chlorure ferrique, les solides en suspension se lient alors les uns aux autres et sont précipités
Colloïdale : matière organique séparée en tout petit grain.
DBO5 : quantité de dioxygène nécessaire aux micro-organismes aérobies de l'eau pour oxyder les matières organiques, dissoutes ou en suspension dans l'eau. La DBO est mesurée au bout de 5 jours (=DBO5), à 20°C.
Effluent : fluide qui sort d'un dispositif de traitement.
Enzyme : protéine qui catalyse des réactions biochimiques
Exutoire : ouverture pratiquée dans une voûte à ciel ouvert.
Floculation : transformation des suspensions colloïdales en flocons plus lourds qui vont se déposer sur le fond.
Humus : matière colloïdale du sol issue de la décomposition et de la transformation chimique et biologique des débris végétaux.
Ionisation : processus auquel au terme duquel un atome ou une molécule neutre devient porteur d'une charge électrique négative ou positive.
Ozonisation : action de faire agir l'ozone sur l'eau pour la désinfecter.
Recarbonatation : quand on rajoute du carbone.