Eau

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Contexte

L'eau est un composé chimique nécessaire à la plupart des plantes et des animaux sur Terre pour maintenir la vie. L'eau pure est un liquide insipide, inodore et transparent. En petites quantités, il est incolore, mais il prend une teinte bleuâtre en plus grandes quantités. L'eau est un excellent solvant et, par conséquent, elle contient généralement une grande variété de minéraux dissous et d'autres produits chimiques. Il peut également transporter et soutenir des bactéries. La plupart de l'eau distribuée par les réseaux d'aqueduc municipaux est traitée pour éliminer les substances nocives. Certaines eaux en bouteille subissent un traitement encore plus poussé pour éliminer presque toutes les impuretés. Le mot anglais water est dérivé du mot allemand wasser, qui à son tour est dérivé d'un ancien mot indo-européen signifiant mouiller ou laver.

L'utilisation contrôlée de l'eau remonte à au moins 8 000 av. lorsque les agriculteurs d'Égypte et de certaines régions d'Asie ont piégé les eaux de crue pour l'irrigation des cultures. Le concept d'utiliser des canaux d'irrigation pour amener de l'eau aux cultures, plutôt que d'attendre une inondation, a été développé pour la première fois vers 2000 BC. en Egypte et au Pérou. Vers 1 000 av. J.-C. , la ville de Karcho, dans l'actuelle Jordanie, a construit deux aqueducs pour apporter un approvisionnement suffisant en eau à la population de la ville. Il s'agit du premier cas enregistré d'approvisionnement en eau municipal planifié.

Le traitement précoce de l'eau était étonnamment avancé, bien que rarement pratiqué. Un ancien manuscrit sanskrit, de ce qui est maintenant l'Inde, conseille de conserver l'eau potable dans des récipients en cuivre, exposée au soleil et filtrée à travers du charbon de bois. Les inscriptions égyptiennes antiques donnent des conseils similaires. Beaucoup de ces méthodes sont encore utilisées aujourd'hui. Vers 400 av. , le médecin grec Hippocrate a suggéré que l'eau soit bouillie et filtrée à travers un morceau de tissu. Malgré ces premières références, la plupart des gens buvaient de l'eau non traitée provenant de ruisseaux ou de puits souterrains. Tant qu'il n'y avait pas de sources de contamination à proximité, c'était une solution satisfaisante.

Au fur et à mesure que la population de l'Europe et d'autres parties du monde civilisé augmentait, leurs sources d'eau devenaient de plus en plus contaminées. Dans de nombreuses villes, les rivières qui servaient de principale source d'eau potable étaient si gravement contaminées par les eaux usées qu'elles ressemblaient à des puisards ouverts. Le choléra, la typhoïde et de nombreuses autres maladies d'origine hydrique ont fait des ravages. En 1800, William Cruikshank d'Angleterre a démontré que de petites doses de chlore tueraient les germes dans l'eau. Dans les années 1890, plusieurs municipalités ont découvert qu'une filtration lente de l'eau à travers des lits de sable pouvait également réduire considérablement l'incidence des maladies. Le tollé général pour l'eau potable a atteint un tel crescendo qu'au début des années 1900, la plupart des grandes villes des États-Unis avaient installé une sorte de système de traitement de l'eau.

Même avec le traitement de l'eau, la contamination de l'eau est restée une préoccupation majeure car une quantité croissante de déchets industriels se déversait dans les rivières et les lacs du pays. Au fur et à mesure que les effets néfastes sur la santé du plomb, de l'arsenic, des pesticides et d'autres produits chimiques sont devenus connus, le gouvernement fédéral des États-Unis a été obligé d'adopter la Water Pollution Control Act de 1948. Ce fut la première législation complète pour définir et réglementer la qualité de l'eau. Elle a été suivie d'une série d'exigences de plus en plus strictes, aboutissant aux normes actuelles de qualité de l'eau de l'Environmental Protection Agency (EPA). En plus des normes fédérales, la plupart des États ont leurs propres lois sur la qualité de l'eau, et certaines lois d'État sont plus strictes que celles spécifiées par l'EPA.

Types d'eau

L'eau pure est une entité quasi inexistante. La plupart des eaux contiennent des quantités variables de minéraux et de sels dissous, ainsi qu'une abondance de particules en suspension telles que du limon et des matières organiques microscopiques. Différents types d'eau sont classés selon la présence ou l'absence de ces impuretés.

L'eau du robinet, ou l'eau municipale, a subi une série de traitements pour tuer les bactéries nocives, éliminer les sédiments et éliminer les odeurs désagréables. Il peut également y avoir eu un ou plusieurs produits chimiques ajoutés pour diverses raisons.

L'eau dure contient de grandes quantités de sels de calcium et de magnésium. Cela provoque la formation de caillés au savon. L'eau dure est divisée en eau temporairement dure et eau dure en permanence. L'eau temporairement dure contient des bicarbonates de calcium et/ou de magnésium, qui réagissent pour former une substance dure appelée tartre lorsque l'eau est chauffée. Le tartre peut obstruer les chauffe-eau et les tuyaux et laisser des dépôts sur les ustensiles de cuisine. L'eau dure en permanence contient des sulfates, des chlorures ou des nitrates de calcium et/ou de magnésium, qui ne sont pas affectés par le chauffage. L'eau douce contient des quantités relativement faibles de sels de calcium et de magnésium, bien que la définition de "faible" varie. Le terme « eau adoucie » fait référence à une eau dure qui a suffisamment de sels éliminés chimiquement pour éviter la formation de caillé de savon. Il est riche en chlorure de sodium.

Si l'eau contient une grande quantité de minéraux dissous, on l'appelle eau minérale. Les eaux minérales peuvent être divisées en cinq classes principales :salines, alcalines, ferrungineuses, sulfureuses et potables. L'eau salée a un niveau élevé de sulfate de sodium ou de magnésium ou de chlorure de sodium. L'eau alcaline a une forte concentration de sels qui lui confèrent un pH compris entre 7,2 et 9,5, un pH de 7 étant neutre et un pH de 14 étant très alcalin. L'eau ferrugineuse est riche en fer, ce qui lui donne une couleur rouille. L'eau sulfureuse est riche en composés soufrés et se distingue par son odeur d'œuf pourri. L'eau potable a une teneur en minéraux de moins de 500 parties par million et est le plus souvent mise en bouteille et vendue comme eau potable de spécialité.

L'eau gazeuse, l'eau gazeuse et l'eau gazeuse contiennent toutes du dioxyde de carbone dissous. Cela peut se produire naturellement là où du calcaire ou d'autres roches carbonatées sont présents, ou le dioxyde de carbone peut être ajouté artificiellement sous pression.

L'eau de source et l'eau artésienne ne se distinguent que par le fait qu'elles s'écoulent naturellement du sol sans l'aide de forage ou de pompage. Sinon, rien ne les différencie de l'eau provenant d'autres sources.

L'eau distillée a été purifiée par un processus d'évaporation-condensation qui élimine la plupart des impuretés, mais pas toutes. L'eau désionisée a été purifiée par un processus d'échange d'ions, qui élimine à la fois les ions positifs, tels que le calcium et le sodium, et les ions négatifs, tels que les chlorures et les bicarbonates. Elle est parfois appelée eau déminéralisée. L'eau purifiée est de l'eau municipale qui a subi une filtration au charbon, une distillation, une désionisation, une osmose inverse, une stérilisation aux ultraviolets ou une combinaison de ces processus pour éliminer presque tous les minéraux et éléments chimiques, bons et mauvais.

Matières premières

Une molécule d'eau est constituée de deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène. Le symbole chimique est H ₂ O. L'eau contient généralement également une large gamme de matières organiques et inorganiques en solution ou en suspension.

Dans le processus de traitement de l'eau destinée à être utilisée dans un système municipal, plusieurs produits chimiques peuvent être ajoutés. Ceux-ci incluent des désinfectants comme le chlore, la chloramine ou l'ozone; des coagulants comme le sulfate d'aluminium, le chlorure ferrique et divers polymères organiques; neutralisants d'acidité comme la soude caustique ou la chaux ; et des produits chimiques pour aider à prévenir la carie dentaire sous la forme de divers composés fluorés.

Le processus de traitement

Le processus spécifique de traitement de l'eau dépend de l'application envisagée. Une partie de l'eau, comme l'eau utilisée pour irriguer les cultures, ne reçoit aucun traitement. D'autres eaux, telles que l'eau utilisée pour fabriquer des produits pharmaceutiques, sont hautement purifiées.

Voici une série d'opérations typiques utilisées pour traiter l'eau municipale pour la distribution aux foyers et aux entreprises.

Collecte

• 1 La plupart des eaux municipales proviennent de deux sources :les eaux souterraines et les eaux de surface. La plupart des eaux souterraines sont exploitées en forant des puits dans la couche aquifère souterraine appelée aquifère. Certaines nappes phréatiques s'élèvent naturellement sous forme de sources. L'eau de surface est captée par la retenue des rivières derrière les barrages. La zone environnante qui se jette dans les rivières est appelée le bassin versant. Dans de nombreux cas, l'accès et l'utilisation du bassin versant sont limités pour éviter la contamination des eaux de ruissellement.
• 2 Du puits ou du barrage, l'eau est acheminée vers la station d'épuration par des canaux ouverts ou des conduites fermées. Dans certains cas, l'approvisionnement en eau est proche de la commune. Dans d'autres cas, l'eau doit être transportée sur plusieurs centaines de miles (km) pour atteindre sa destination. Parfois, l'eau est stockée dans des réservoirs intermédiaires en cours de route pour s'assurer qu'il y aura toujours un approvisionnement suffisant pour répondre aux besoins fluctuants d'une ville.

Désinfection

• 3 Dans certaines stations d'épuration, l'eau est d'abord désinfectée par contact avec de l'air riche en ozone dans une série de chambres. Cette étape est utilisée par la plupart des usines en Europe, mais seulement par quelques usines aux États-Unis. L'ozone (03) est formé en faisant passer de l'air comprimé à travers un arc électrique à haute tension. Cela fait que certaines des molécules d'oxygène (02) dans l'air se divisent en deux et se rattachent à d'autres molécules d'oxygène pour former de l'ozone. L'ozone tue efficacement la plupart des germes et détruit également les composés, qui provoquent des goûts et des odeurs désagréables. Cependant, il a une durée de vie relativement courte et ne reste pas dans l'eau pour le protéger pendant le stockage et la distribution. Pour cette raison, une petite dose de chlore ou de chloramine est ajoutée à l'eau à la fin du processus de traitement.

Coagulant/floculant

• 4 L'eau passe ensuite dans un mélangeur flash où des produits chimiques appelés coagulants sont rapidement mélangés à l'eau. Les coagulants modifient la charge électrique autour des particules en suspension dans l'eau et les font s'attirer et s'agglomérer ou coaguler.
• 5 L'eau se déplace lentement à travers une série de chambres où elle est doucement mélangée par le flux tourbillonnant. Au fur et à mesure que l'eau se mélange, les particules chargées continuent de se heurter et forment des particules encore plus grosses appelées flocs.

Règlement

• 6 L'eau s'écoule dans un bassin de décantation ou un réservoir où les flocs lourds coulent au fond. Certains bassins de décantation ont deux niveaux pour doubler leur capacité. Le matériau qui se dépose au fond est aspiré hors du bassin avec un appareil comme un aspirateur de piscine et est déposé dans un bassin de rétention de solides. Le matériau piégé du filtre (étape 7) est également ajouté au bassin de rétention des solides. Ces matériaux combinés sont envoyés dans un épaississeur par gravité, puis dans une presse où la majeure partie de l'eau est extraite. Les solides restants sont chargés dans des camions et transportés vers une décharge pour élimination.

Filtrage

• 7 L'eau partiellement nettoyée traverse plusieurs couches de sable et de charbon pulvérisé, qui piègent les très petites particules qui restent dans l'eau. Certains organismes nuisibles sont également piégés de cette façon dans les stations d'épuration qui n'utilisent pas l'ozone comme désinfectant initial. Les couches filtrantes sont périodiquement rincées à contre-courant pour éliminer le matériau piégé.

Adsorption

• 8 Dans certaines plantes, l'eau passe à travers un lit de granulés de charbon actif. Les contaminants chimiques dans l'eau adhèrent à la surface du charbon de bois dans un processus connu sous le nom d'adsorption de carbone.

Aération

• 9 Dans certaines régions où l'eau contient des quantités indésirables de fer et de manganèse ou de certains gaz dissous, l'eau est pulvérisée dans l'air à partir de grands bassins pour l'aérer. Lorsque l'eau se mélange à l'air, elle absorbe de l'oxygène, ce qui provoque la sédimentation de certains contaminants. Les autres contaminants sont éliminés par évaporation.

Fluoration

• 10 Dans certaines usines de traitement de l'eau, un composé de fluo est ajouté à l'eau pour aider à prévenir la carie dentaire. Le fluorure est naturellement présent dans certains approvisionnements en eau et des quantités supplémentaires ne sont pas nécessaires. Dans le passé, la fluoration a été un sujet très débattu et toutes les municipalités n'ajoutent pas de fluorure à leur eau.

Neutralisant

• 11 D'autres produits chimiques peuvent être ajoutés à l'eau pour aider à réduire la corrosion dans les tuyaux et les appareils de plomberie. Cela se fait en ajoutant des quantités contrôlées de certains produits chimiques pour ajuster le facteur de pH à un niveau neutre.

Distribution

• 12 Lorsque l'eau quitte la station d'épuration, elle reçoit une petite dose de chlore ou de chloramine pour tuer toutes les bactéries nocives qui auraient pu s'infiltrer dans le système de distribution. Si l'usine n'utilise pas d'ozone comme désinfectant initial, une plus grande quantité de chlore ou de chloramine est ajoutée à l'eau.
• 13 Une fois que l'eau a quitté la plante, elle est généralement stockée dans des réservoirs ou des réservoirs couverts pour la protéger de la contamination. Dans certaines régions, ces installations de stockage sont situées à une altitude plus élevée que le terrain environnant, et l'eau est pompée dans le réservoir ou le réservoir. Cette position de stockage surélevée fournit la pression nécessaire pour un débit adéquat à travers les conduites d'eau et les conduites dans la ville. Dans d'autres cas, l'eau est stockée dans des installations au niveau du sol et la pression est fournie par des pompes électriques qui fonctionnent à la demande.

Contrôle qualité

Les normes fédérales et étatiques de qualité de l'eau fixent des niveaux de contamination maximum pour plus de 90 matières organiques, inorganiques, microbiologiques et radioactives pouvant être trouvées dans l'eau. Ces normes sont ensuite divisées en normes primaires, qui couvrent les matériaux pouvant être nocifs pour l'homme, et en normes secondaires, qui couvrent les matériaux et les propriétés pouvant affecter les qualités esthétiques telles que le goût, l'odeur et l'apparence. Un district hydraulique typique peut effectuer plus de 50 000 analyses chimiques et bactériologiques de l'approvisionnement en eau chaque année pour s'assurer que les normes sont respectées.

Le futur

On s'attend à ce que la préoccupation du public concernant l'eau potable salubre se traduise par des normes de qualité de l'eau encore plus strictes à l'avenir. Ironiquement, l'une des préoccupations les plus récentes ne concerne pas la contamination extérieure, mais les effets de l'une des substances couramment utilisées pour désinfecter l'eau, le chlore. Des études menées au cours des 30 dernières années ont montré que le chlore forme certains composés avec les matières organiques présentes dans l'eau. Les composés les plus courants sont appelés trihalométhanes, ou THM, qui présentent un risque de 1 sur 10 000 de provoquer le cancer lorsqu'ils sont ingérés ou inhalés sur une longue période. Une alternative à l'utilisation du chlore est la chloramine, qui est une combinaison d'ammoniac et de chlore qui ne forme pas aussi facilement des THM. De nombreuses stations d'épuration sont déjà passées à la chloramine. D'autres désinfectants alternatifs incluent l'ozone, la lumière ultraviolette, le dioxyde de chlore et un hybride d'ozone et de peroxyde d'hydrogène appelé peroxone.