Comment assurer la mise en place d une technologie de rupture pour résoudre la crise de l eau

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1 Comment assurer la mise en place d une technologie de rupture pour résoudre la crise de l eau 1. Les différentes étapes d une filière classique de traitement d eau potable 1.1 Le pré-traitement Les procédés physiques (dégrillage et tamisage) permettent de retenir les déchets tandis que les procédés chimiques (pré-oxydation par hypochlorite de sodium, ozone ou permanganate de potassium) permettent l élimination du fer et du manganèse, et d agir sur la couleur de l eau (algues). 1.2 La clarification C est une étape indispensable pour les eaux de surface et les eaux souterraines karstiques. Elle permet d obtenir une eau limpide par élimination des matières en suspension, et donc de la turbidité. La clarification peut combiner les procédés suivants : Coagulation / floculation C est un procédé physico-chimique qui a pour but de déstabiliser les matières colloïdales. Les particules en suspension inférieures au micromètre et supérieures à quelques nanomètres sont dites en suspension colloïdale. Les argiles, oxydes métalliques, carbonates, ainsi que les acides humiques, les protéines de haute masse moléculaire et certains virus font partie de cette classe de substances colloïdales. Ces particules ne s agglomèrent pas naturellement car leurs charges de surface induisent des forces de répulsion électrostatiques. L eau reçoit un réactif destiné à provoquer l agglomération de ces particules en suspension en agrégats floconneux, dont l ensemble forme une masse que l on appelle le floc. La coagulation consiste à ajouter des substances chimiques, capables d annuler les forces répulsives. Déstabilisées, les matières colloïdales sont soumises aux mécanismes d agrégation ou d adsorption (elles s agglomèrent entre elles ou sont retenues à la surface d autres molécules). Les réactifs utilisés sont généralement des sels de fer ou d aluminium. Chaque réactif coagulant n étant actif que dans une certaine zone de ph, un ajustement du ph peut s avérer nécessaire. Sous l effet de son propre poids, le floc se dépose lentement. Décantation ou flotation Ce sont des procédés physiques appliqués après la coagulation-floculation qui font intervenir la gravité. L eau coagulée et floculée entre dans le décanteur à vitesse réduite de façon à éviter les turbulences. Les flocs se déposent au fond de l ouvrage et l eau clarifiée est récupérée en surface. A l inverse, la flottation consiste à favoriser la clarification par entraînement des particules en surface, grâce à la génération de bulles d air, qui s accrochent aux matières en suspension et aux flocs. Les flottants sont récupérés en surface par bras racleur.

2 Filtration La filtration permet de retenir les matières en suspension qui n ont pas été piégées lors des étapes précédentes ou qui ont été formées lors de la pré-oxydation. Elle est réalisée sur matériaux classiques (sables) ou sur membranes (cas des eaux souterraines karstiques). La plus répandue est la filtration sur lit de sable (lit filtrant) : une couche de sable retient les particules et laisse passer l eau filtrée. Le filtre peut jouer un double rôle suivant les conditions d exploitation : d une part, il retient les matières en suspension par filtration et d autre part, il constitue un support bactérien permettant un traitement biologique, c est à dire une consommation des matières organiques et de l ammoniac, ou du fer et du manganèse, par les bactéries qui sont développées sur le sable. Le filtre à sable nécessite un nettoyage périodique afin d éliminer les matières retenues entre les grains qui ralentissent le passage de l eau. La filtration sur lit de sable, efficace, simple et peu coûteuse, s est imposée, en raison des énormes volumes d eau à filtrer. 1.3 L affinage L affinage a pour effet l oxydation et la biodégradation des matières organiques et l élimination ou l absorption de certains micropolluants. En outre, il améliore les qualités organoleptiques de l eau (saveur, odeur, limpidité). L ozone, outre son grand pouvoir désinfectant (élimination des virus et des spores bactériennes), permet l oxydation de certains micropolluants organiques (pesticides, composés aromatiques ) et transforme les matières organiques naturelles (qui sont ensuite éliminées par le charbon actif biologique) en augmentant leur biodégradabilité. Le charbon actif est un matériau poreux qui possède une très grande surface spécifique qui permet l adsorption et la dégradation par voie microbiologique des matières organiques naturelles et des micropolluants organiques (notamment pesticides). 2. Les différentes étapes de la filière innovante de traitement d eau potable L étape de prétraitement de l eau est conservée mais la clarification est remplacée par le traitement thermique. 2.1 Le traitement thermique L eau existe sous forme solide, liquide ou gazeuse selon les conditions de pressions et de températures qui lui sont imposées (voir figure ci-contre). L eau liquide soumise à un flux de chaleur atteint son maximum de température à 100 C et ne peut aller au-delà à pression atmosphérique sans se transformer en vapeur. Dans un espace confiné, l eau sous sa forme liquide, chauffée par les rayons du soleil peut monter en pression et rester sous forme liquide à une température supérieure à 100 C : il s agit de l eau subcritique.

3 La majorité des substances dites persistantes ont une température de dégradation bien supérieure à 100 C dans les conditions normales de pression et de température. Ainsi dissoutes dans l eau, la majorité de ces substances ont également une température d ébullition bien supérieure à 100 C, ce qui implique qu elles restent dissoutes dans l eau liquide sans se vaporiser. Plusieurs de ces substances persistantes pourraient être dégradées ou détruites par l exposition à la température de l eau subcritique. Dégradation par la température La décomposition thermique ou thermolyse est une décomposition chimique causée par la chaleur, c'est-àdire une rupture des molécules pour donner des composés moins complexes, ceux-ci pouvant être décomposés à leur tour si la chaleur augmente. La thermolyse est en général une réaction endothermique du fait de la chaleur nécessaire pour casser les liens chimiques des composants subissant cette décomposition. La température de décomposition d'une substance est la température à laquelle la substance se décompose chimiquement. Les substances chimiques utilisées lors du prétraitement se décomposent sous l action de la température. Elimination par précipitation Toutes les substances sont plus ou moins solubles dans l'eau. Alors qu il existe des substances très solubles, il n'existe pas de substances insolubles. La solubilité de la plupart des solides augmente avec la température. Une solution saturée, à une température donnée, est une solution qui contient la quantité maximum de soluté qu elle peut dissoudre. Une solution saturée est, par définition, une solution en équilibre dynamique avec du soluté non dissout. Cet équilibre a cependant une particularité: L équilibre n est pas modifié, si on fait varier la quantité de la partie solide. En effet, la concentration d'un solide est une constante, essentiellement indépendante de la température, de la pression et de la présence d'une solution en contact avec ce solide. Lorsqu un sel qui contient l un des ions de la solution aqueuse s ajoute à la solution saturée d un composé peu soluble, le système évolue dans le sens qui tend à faire diminuer la concentration de cet ion, donc vers la formation du précipité en diminuant la solubilité du composé. Cette diminution de solubilité est appelée effet d ions communs. Cette propriété peut permettre la précipitation d une fraction supplémentaire de certaines substances persistantes déjà très peu soluble dans l eau. Enfin, il faut rappeler que c est l eau condensée qui est traitée ultérieurement pour produire l eau potable de consommation. Après condensation, elle est non seulement stérile mais purifiée car débarrassée de toute substance dont la température de vaporisation est supérieure à celle de l eau. 2.2 L affinage Ozonation L'ozone est une substance de formule chimique O 3 : ses molécules sont triatomiques, formées de trois atomes d'oxygène. L'ozone est ainsi une variété de l'oxygène, mais bien moins stable que le dioxygène (O 2 ), en lequel il tend naturellement à se décomposer. À température ambiante, c'est un gaz bleu pâle, voire incolore, qui se démarque par son odeur.

4 A température ambiante, l'ozone se décompose en dioxygène (O 2 ), communément appelé «oxygène» : la rapidité de la réaction dépend de la température, de l'humidité de l'air, de la présence de catalyseurs (hydrogène, fer, cuivre, chrome, etc.) ou du contact avec une surface solide. L'ozone est naturellement présent dans l'atmosphère terrestre, formant dans la stratosphère une couche d'ozone entre 13 et 40 km d'altitude qui intercepte plus de 97 % des rayons ultraviolets du Soleil, mais est un polluant dans les basses couches de l'atmosphère. Il est toutefois utilisé pour oxyder les substances organiques. Il inactive certains pesticides et les organismes pathogènes (virus et bactéries). L'avantage de l'ozone est qu'après son action sur les bactéries, les virus et les pesticides, il retourne naturellement à sa forme originelle, c'est-à-dire l'oxygène. Ainsi, il ne laisse pas de trace dans l'eau comme la plupart des autres principes de traitement de l'eau. La technique actuelle de mise en contact de l'eau avec l'ozone issu des installations de production se fait dans une cuve à plusieurs compartiments dans laquelle de l'air ozoné est pulsé. Nous proposons une autre technique pour la mise en contact entre l eau et l ozone permettant d optimiser sa distribution dans l eau et donc son efficacité. Technique actuelle d ozonation Tout d'abord, l'ozone est créé grâce à l'air ambiant. Les deux principaux principes de génération d'ozone sont les lumières UV et les décharges corona. La génération d'ozone par décharge corona est plus courante de nos jours et a la réputation d avoir plus d'avantages. En effet, l'oxygène capté traverse un générateur d'ozone où il reçoit une charge électrique. Après avoir reçu une charge électrique, certaines molécules de dioxygène (O 2 ) vont se séparer pour former deux atomes O indépendants. Ensuite, ces atomes vont se fixer aux molécules O 2 qui n'ont pas été divisées pour former des molécules d'ozone (O 3 ). Cette technique de fabrication d ozone à partir de l air ambiant (qui ne contient que 21 % de dioxygène) est très énergivore. Par ailleurs, l ozone est une molécule très instable dont la demi-vie est impactée par la présence d eau ou d humidité. Lors de l ozonation, la mise en contact de l'eau avec l'ozone issu des installations de production se fait dans une cuve à plusieurs compartiments dans laquelle on pulse de l'air ozoné. La dépense énergétique et l efficacité de l ozonation est intimement liée au choix la technique de production d ozone utilisée. Il est possible d améliorer la génération d ozone en enrichissant à concentration de dihydrogène disponible soumis à la lumière UV en portant une attention particulière sur le spectre d émission de la lampe utilisée en relation avec les photo-réactions qui génèrent l ozone et un contrôle de la température de l eau. Photo-réactions impliquées : O2 + photon 2 O si λ (longueur d onde du rayonnement UV) 242 nm ; O 2 + O O 3 Enfin, ces atomes d oxygène peuvent également réagir sur l ozone pour former du dioxygène selon la réaction : O 3 + O 2 O 2 L ozone est donc au cœur d un équilibre dynamique au sein duquel il est continuellement créé et détruit. C est le cycle de Chapman dont le bilan est l équilibre : 3 O 2 2 O 3 La technique d ozonation peut progresser en efficacité par : Le choix d une méthode moins énergivore : Des lampes émettant un rayonnement UV de 172 nm permettent de rompre toute une série de liaisons moléculaires et peut constituer une alternative souvent plus rentable aux processus de fabrication classique par charge électrique.

5 Une optimisation de la technique de mise en contact des substances dissoutes avec l ozone pour une plus grande performance dans la finalité recherchée Le rayonnement ultraviolet direct Le système de production d ozone émet un rayonnement ultraviolet de haute intensité qui permet de cliver et d'ioniser les composés organiques dissous dans l eau. Ces derniers provoquent en outre l'apparition de composés oxydants, capables de détruire les micro-organismes (spores) et certaines molécules qui auraient échappé aux traitements précédents. Le charbon actif Le charbon actif est un matériau constitué essentiellement de matière carbonée à structure poreuse. On appelle charbon actif tout charbon ayant subi une préparation particulière et qui, de ce fait, possède à un haut degré, la propriété de fixer et de retenir les fluides amenés à son contact. Il s'agit d'une structure amorphe composée principalement d'atomes de carbone, obtenue après une étape de carbonisation à haute température, présentant une très grande surface spécifique qui lui confère un fort pouvoir adsorbant. Le charbon actif retient donc l ensemble des molécules issues de la pré-oxydation en milieu réducteur engendrée par l hypochlorite de sodium, de la dégradation thermique issue de la distillation réactive, de l ozonation et de l exposition aux rayons ultra-violets. Conclusions et perspectives Cette technologies de rupture propose de recycler l eau autrement, non plus dans des usines de traitement des eaux usées qui impliquent une centralisation des moyens dont le coût implique de gros investissement en termes de moyens et de compétences mais directement sur le site de son utilisation, ce qui permet de réduire la distribution d une possible pollution lors de la collecte des eaux usées. La décentralisation des moyens de traitements de l eau offre des avantages certains du point de vue environnemental et du point de vue économique. Par ailleurs, la technique innovante compense sa faiblesse à traiter de gros volumes par sa capacité à mutualiser les productions individuelles pour répondre à la demande locale et par conséquent réduire l empreinte carbone liée à la dépense énergétique du transport de l eau traitée en station d épuration. Une gestion du besoin en eau potable par smartgrid est donc possible et souhaitable.