L'eau : Histoire, Types et Procédés de Traitement Modernes

Contexte

L'eau (H₂O) est le solvant essentiel qui soutient la vie de la plupart des plantes et des animaux sur Terre. Sous sa forme la plus pure, l'eau est insipide, inodore et transparente, prenant une teinte bleuâtre subtile en grands volumes. Comme elle dissout une large gamme de minéraux et de produits chimiques, la plupart des eaux naturelles contiennent des sels dissous, de la matière organique et parfois des bactéries. Les fournitures municipales subissent un traitement pour éliminer les substances nocives ; les eaux en bouteille premium peuvent être encore raffinées jusqu'à une pureté quasi absolue. Le mot anglais water vient de l'allemand wasser, dérivé d'une racine indo-européenne ancienne signifiant « mouiller ou laver ».

Histoire

L'utilisation contrôlée de l'eau remonte à au moins 8000 av. J.-C., lorsque les agriculteurs égyptiens et asiatiques piégeaient les eaux de crue pour l'irrigation. Les premiers canaux d'irrigation sont apparus vers 2000 av. J.-C. en Égypte et au Pérou, et vers 1000 av. J.-C., la ville jordanienne de Karcho construisit des aqueducs — la première alimentation en eau municipale documentée. Les premières méthodes de traitement étaient étonnamment sophistiquées. D'anciens textes sanskrits conseillaient de stocker l'eau dans des récipients en cuivre, de l'exposer au soleil et de la filtrer au charbon. Des inscriptions égyptiennes recommandent des pratiques similaires. Hippocrate (≈ 400 av. J.-C.) préconisait l'ébullition et la filtration par tissu. Pourtant, l'eau de ruisseaux et de puits non traitée resta la norme jusqu'à ce que la contamination devienne une crise de santé publique au 19e siècle.

L'industrialisation rapide et la croissance démographique transformèrent les rivières en égouts à ciel ouvert, alimentant le choléra, la fièvre typhoïde et d'autres maladies d'origine hydrique. En 1800, William Cruikshank prouva que de faibles doses de chlore tuent les germes d'origine hydrique. Dans les années 1890, la filtration sur sable réduisit nettement l'incidence des maladies. La pression publique força les villes américaines à adopter des systèmes de traitement de l'eau au début des années 1900. Malgré ces avancées, les polluants industriels — plomb, arsenic, pesticides — continuèrent de menacer la qualité de l'eau, ce qui conduisit à la loi de 1948 sur le contrôle de la pollution de l'eau, la première réglementation fédérale complète. La législation ultérieure aboutit aux normes de qualité de l'eau de l'EPA, tandis que de nombreux États appliquent des règles encore plus strictes.

Types d'eau

L'eau pure est rare ; la plupart des eaux naturelles contiennent des minéraux dissous, des sels et des particules en suspension. La classification dépend des niveaux d'impuretés.

Eau du robinet municipale

L'eau du robinet municipale subit une désinfection, une élimination des sédiments et des odeurs. Des produits chimiques supplémentaires peuvent être ajoutés pour des raisons de qualité de l'eau.

Eau dure

L'eau dure contient des niveaux élevés de sels de calcium et de magnésium, causant des dépôts de savon. Elle se subdivise en eau dure temporaire — contenant des bicarbonates qui forment du tartre lorsqu'ils sont chauffés — et eau dure permanente — contenant des sulfates, chlorures ou nitrates qui restent stables. L'eau douce a une faible teneur en calcium/magnésium, mais « l'eau adoucie » désigne l'eau dure dont les sels ont été chimiquement éliminés, résultant souvent en une teneur élevée en chlorure de sodium.

Eau minérale

L'eau minérale, riche en minéraux dissous, se divise en cinq catégories principales : saline, alcaline, ferrugineuse, sulfureuse et potable. L'eau saline est riche en sulfate ou chlorure de sodium ou de magnésium ; l'eau alcaline a un pH de 7,2 à 9,5 ; l'eau ferrugineuse est riche en fer ; l'eau sulfureuse contient des composés soufrés et une odeur caractéristique d'œuf pourri ; l'eau potable contient <500 ppm de minéraux et est couramment embouteillée comme eau de spécialité.

Eaux gazeuses

Les eaux carbonatées, sodas et eaux pétillantes contiennent du CO₂ dissous, soit naturellement provenant de couches calcaires, soit injecté artificiellement sous pression.

Eaux de source et artésiennes

Les eaux de source et artésiennes se distinguent par leur émergence naturelle du sol sans forage ni pompage, mais partagent par ailleurs les mêmes propriétés que les autres sources d'eau.

Eaux purifiées

L'eau distillée résulte de l'évaporation-condensation, éliminant la plupart des impuretés ; l'eau déionisée (déminalisée) utilise l'échange d'ions pour éliminer cations et anions ; l'eau purifiée combine filtration, distillation, déionisation, osmose inverse et stérilisation UV pour éliminer virtuellement tous les minéraux et produits chimiques.

Matières premières

Les molécules d'eau consistent en deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène (H₂O). En plus de H₂O, l'eau contient généralement une large gamme de matières organiques et inorganiques.

Le traitement municipal peut introduire des désinfectants (chlore, chloramine, ozone), des coagulants (sulfate d'aluminium, chlorure ferrique, polymères organiques), des neutralisants d'acidité (soude caustique, chaux) et des composés fluorés pour la santé dentaire.

Le processus de traitement

Le traitement de l'eau varie selon l'usage prévu. L'eau d'irrigation peut être non traitée, alors que l'eau de qualité pharmaceutique subit une purification extrême.

Voici une séquence typique pour l'eau municipale destinée aux foyers et entreprises.

Collecte

• 1 La plupart des fournitures municipales proviennent des eaux souterraines et de surface. Les eaux souterraines sont accessibles par forage de puits dans les aquifères ou via des sources naturelles. L'eau de surface est capturée en retenant les rivières derrière des barrages. Le bassin versant environnant est appelé le bassin de collecte ; l'accès y est souvent réglementé pour prévenir la contamination par ruissellement.
• 2 L'eau est acheminée depuis les puits ou barrages vers les usines de traitement par canaux ouverts ou tuyaux fermés. Dans certains cas, l'eau parcourt des centaines de kilomètres et est stockée dans des réservoirs intermédiaires pour assurer un approvisionnement continu.

Désinfection

• 3 Certaines usines initient le traitement par des chambres de contact à l'ozone — une méthode courante en Europe mais rare aux États-Unis. L'ozone (O₃) est généré en faisant passer de l'air comprimé à travers un arc haute tension, scindant les molécules O₂. L'ozone tue efficacement les microbes et dégrade les composés producteurs d'odeurs mais a une courte durée de vie ; par conséquent, une faible dose de chlore ou chloramine est ajoutée plus tard pour la désinfection résiduelle.

Coagulation/Floculation

• 4 Les coagulants sont rapidement mélangés à l'eau dans un mélangeur éclair, neutralisant les charges des particules en suspension et les faisant s'agglomérer.
• 5 L'eau passe ensuite lentement dans des mélangeurs doux, où se forment des flocons — agrégats plus gros — qui se déposent.

Décantation

• 6 Le mélange entre dans un bassin de décantation où les flocons coulent au fond. Certains bassins comportent deux étages pour augmenter la capacité. Les solides décantés sont aspirés vers un bassin de stockage, puis épaissis dans un épaississeur gravitaire et pressés pour extraire l'eau. Les solides restants sont transportés vers des décharges.

Filtration

• 7 L'eau partiellement clarifiée traverse des couches de sable et de charbon pulvérisé, capturant les particules fines et certains organismes, surtout dans les usines n'utilisant pas l'ozone.

Adsorption

• 8 Certaines usines emploient des lits de charbon actif ; les contaminants adhèrent aux surfaces du charbon par adsorption.

Aération

• 9 Dans les régions à forte teneur en fer, manganèse ou gaz dissous, l'eau est pulvérisée dans l'air depuis de grands bassins pour l'aérer. L'oxygénation fait précipiter ou évaporer certains contaminants.

Fluoruration

• 10 Des composés fluorés sont ajoutés pour lutter contre la carie dentaire. Le fluorure naturel peut être présent, donc le dosage additionnel est optionnel. La fluoruration reste un sujet débattu, et toutes les municipalités ne l'utilisent pas.

Neutralisation

• 11 Pour réduire la corrosion des canalisations, des produits chimiques ajustent le pH à un niveau neutre.

Distribution

• 12 À la sortie de l'usine, l'eau reçoit une dose résiduelle de chlore ou chloramine pour éliminer les microorganismes qui auraient pu entrer dans le réseau de distribution. Si l'ozone n'a pas été utilisé initialement, une dose résiduelle plus élevée est appliquée.
• 13 L'eau est ensuite stockée dans des réservoirs couverts — souvent en position surélevée — pour la protéger de la contamination et maintenir la pression. Dans d'autres zones, des réservoirs au niveau du sol comptent sur des pompes électriques pour fournir un débit adéquat.

Contrôle qualité

Les normes fédérales et étatiques fixent des niveaux maximaux pour plus de 90 substances organiques, inorganiques, microbiologiques et radioactives. Les normes primaires protègent la santé humaine ; les normes secondaires concernent les attributs esthétiques comme le goût, l'odeur et l'apparence. Un district d'eau typique peut effectuer >50 000 analyses par an pour vérifier la conformité.

L'avenir

La demande publique d'eau potable sûre entraînera des normes de plus en plus strictes. Une préoccupation contemporaine notable est la formation de trihalométhanes (THM) par le chlore en réagissant avec la matière organique. Les THM présentent un risque de cancer de 1 sur 10 000 sur de longues expositions. La chloramine — un mélange ammoniaque-chlore — produit moins de THM et est maintenant privilégiée par de nombreuses usines. D'autres alternatives incluent l'ozone, la lumière UV, le dioxyde de chlore et le peroxone (ozone-peroxyde d'hydrogène). L'innovation continue équilibrera l'efficacité de la désinfection avec la sécurité des consommateurs.