Production d'eau potable
2e édition
Procédés de traitement, paramètres de qualité et impacts du changement climatique
Bernard Legube
Dunod
Préface
V
Avant-propos
VII
A. Le traitement des eaux destinées à la consommation humaine
1 L'eau potable en France
3
1.1 Préambule3
1.1.1 L'exigence d'absence de germes pathogènes3
1.1.2 Les premières filières simples de traitement3
1.1.3 Les évolutions récentes4
1.2 Les besoins en eau potable ou en eau destinée à la consommation humaine (EDCH)4
1.2.1 Les quantités d'eau potable à produire par habitant5
1.2.2 Les qualités des ressources destinées à la production d'eau potable5
1.2.3 Quelques chiffres sur la production d'eau potable en France6
2 La réglementation
7
2.1 Les fondations et les objectifs de la réglementation moderne8
2.2 Les principes de la réglementation actuelle8
2.3 Les exigences de qualité8
2.4 Le contrôle des résultats11
2.5 Informer les consommateurs11
2.6 La gestion de crise12
2.7 La nouvelle directive européenne en cours de transposition12
2.7.1 Les principales évolutions12
2.7.2 Les normes de qualité de la directive européenne du 16/12/202013
2.8 L'évaluation du risque sanitaire15
3 Les filières de traitement
16
3.1 Comment définir une filière ?16
3.2 Les filières pour eaux souterraines profondes17
3.2.1 Eaux souterraines contenant des impuretés naturelles18
3.2.2 Eaux souterraines contenant des polluants19
3.3 Les filières pour eaux de surface20
3.3.1 Deux grandes classes d'eaux superficielles20
3.3.2 L'évolution des filières lors des dernières décennies21
Sources et supports
23
B. Les impacts attendus du changement climatique
4 Changement climatique et disponibilité en eau douce
27
4.1 Préambule sur le changement climatique27
4.1.1 Quelques définitions27
4.1.2 Explication simplifiée du rôle des gaz à effet de serre (GES) sur l'évolution « forcée » du climat31
4.1.3 Les constats actuels en France32
4.1.4 Les prévisions sur l'évolution du climat33
4.1.5 Que faire ?36
4.2 Le cycle hydrologique en France aux XXe et XXIe siècles36
4.2.1 Quelques définitions36
4.2.2 Cycle hydrologique en France dans la seconde moitié du XXe siècle38
4.2.3 Cycle hydrologique en France au XXIe siècle et incertitudes42
4.3 Impact sur la disponibilité en eau douce superficielle44
4.3.1 Qu'en sera-t-il en France au milieu du XXIe siècle ?44
4.3.2 Et si on dépassait les + 2 °C, voire les + 3 °C en 2050 ?47
4.4 Impact sur la disponibilité en eaux souterraines47
4.5 Quelles solutions ?49
5 Les conséquences du changement climatique sur la qualité des eaux douces destinées à la production d'eau potable
51
5.1 Préambule51
5.1.1 Rareté des études sur ce sujet52
5.1.2 Trois phénomènes hydro-climatologiques principaux induiront des effets sur la qualité des eaux douces52
5.2 Effet de moindre dilution des pollutions53
5.2.1 Constat actuel53
5.2.2 Quelles méthodes d'approche pour mesurer cet effet ?53
5.3 Effets de l'augmentation de la température de l'eau54
5.3.1 Constat actuel54
5.3.2 De la nécessité d'améliorer l'interprétation des mesures et leur modélisation55
5.3.3 Quelle augmentation de température des cours d'eau au XXIe siècle ?55
5.3.4 Principaux effets attendus sur la qualité des eaux douces superficielles56
5.3.5 Effets incertains56
5.4 Effets de la modification des cycles hydrologiques en fréquence et en intensité57
5.4.1 Stock des polluants dans la zone vadose (ou non saturée)57
5.4.2 Stock des polluants dans les archives sédimentaires58
5.4.3 Effets attendus58
5.5 Exemples caractéristiques d'impacts du changement climatique sur la qualité des eaux douces naturelles58
5.5.1 Un risque écologique supplémentaire58
5.5.2 Les cyanobactéries et les microcystines59
5.5.3 La teneur en matière organique naturelle (MON) et sa nature60
5.5.4 Les nitrates63
5.5.5 Les pesticides et métabolites64
5.5.6 Les métaux68
5.5.7 pH68
5.6 Quelques pistes de solutions69
6 Les impacts du changement climatique sur la demande en eau potable, sa qualité, son traitement et son coût
71
6.1 Effet du changement climatique sur la demande en eau douce en France72
6.1.1 « Offre vs demande en eau » au niveau national (bilan Explore 2070)72
6.1.2 « Offre vs demande en eau » au niveau d'un bassin hydrographique (Adour-Garonne)74
6.1.3 « Offre vs demande en eau » pour l'AEP76
6.2 Les impacts du changement climatique sur la qualité, le traitement et la distribution en réseau des EDCH77
6.2.1 Théoriquement pas d'impact sur la qualité de l'eau au robinet du consommateur77
6.2.2 Plusieurs impacts sur le traitement et la distribution de l'eau, fonctions du type de ressource77
6.3 Les impacts du changement climatique sur le coût de l'eau distribuée82
6.3.1 L'augmentation tendancielle du coût total de l'eau à l'horizon 2040 pour le consommateur83
6.3.2 Évaluation de l'augmentation du coût du seul service « Eau potable », due aux impacts du changement climatique83
Sources et supports
88
C. Évaluer les risques et satisfaire aux paramètres de qualité
7 L'évaluation des risques
93
7.1 Le risque sanitaire des eaux destinées à la consommation humaine (EDCH)93
7.1.1 Définitions93
7.1.2 L'établissement des valeurs paramétriques (ou normes) de qualité est la première démarche d'évaluation et de gestion du risque sanitaire94
7.1.3 La surveillance du respect des paramètres microbiologiques et chimiques est-elle actuellement suffisante ?96
7.1.4 Les réseaux de distribution peuvent changer la qualité de l'eau traitée98
7.2 L'évaluation du risque sanitaire et sa gestion moderne98
7.2.1 Les récentes consignes réglementaires99
7.2.2 Quelques outils utilisés pour l'évaluation des risques101
7.2.3 Mise en place d'un plan de gestion de la sécurité sanitaire de l'eau (PGSSE)102
7.3 Perspectives102
7.3.1 Un changement de paradigme sur la surveillance analytique du risque devient nécessaire102
7.3.2 La formation continue des PRPDE et de leur personnel doit être mieux adaptée103
7.3.3 L'information donnée au public doit être plus complète, plus explicite et moins « déformée »103
7.3.4 Les impacts du changement climatique doivent être impérativement et urgemment considérés103
8 Satisfaire aux paramètres microbiologiques
104
8.1 La pratique du suivi de la qualité microbiologique d'une eau104
8.2 Les bactéries indicatrices de contamination et d'efficacité de traitement ou « germes tests »105
8.2.1 Escherichia coli et bactéries coliformes106
8.2.2 Entérocoques (Enterococcus)107
8.2.3 Bactéries sulfito-réductrices (Clostridium perfringens)107
8.2.4 Germes aérobies revivifiables à 22 et 37 °C108
8.3 Autres indicateurs réglementaires108
8.3.1 Bactériophages et coliphages somatiques108
8.3.2 Legionella109
8.4 Pathogènes à transmission hydrique109
8.4.1 Autres bactéries spécifiques109
8.4.2 Virus110
8.4.3 Protozoaires111
8.5 Cyanobactéries et algues113
8.5.1 Cyanobactéries et cyanotoxines113
8.5.2 Algues114
9 Satisfaire aux paramètres chimiques
116
9.1 Acides haloacétiques (AHA)117
9.2 Acides perfluorooctanoïques et perfluorooctanesulfoniques118
9.3 Acrylamide119
9.4 Aldéhydes120
9.5 Aluminium total120
9.6 Amiante122
9.7 Ammonium ou azote ammoniacal123
9.8 Antimoine126
9.9 Arsenic126
9.10 Baryum129
9.11 Benzène130
9.12 Benzo(a)pyrène et HAP131
9.13 Bisphénol A et autres perturbateurs endocriniens133
9.14 Bore (borates)135
9.15 Bromates (et bromures)136
9.16 Cadmium138
9.17 Carbone organique total ou COT (et COP/COD/CODB)139
9.18 Chlorates144
9.19 Chlore libre et chlore total144
9.20 Chlorites145
9.21 Chlorures146
9.22 Chlorure de vinyle (monomère ou CVM)147
9.23 Chrome148
9.24 Conductivité149
9.25 Cosmétiques151
9.26 Couleur151
9.27 Cuivre152
9.28 Cyanures totaux153
9.29 Dichloroéthane (1,2-)154
9.30 Épichlorhydrine154
9.31 Équilibre calco-carbonique155
9.32 Fer total156
9.33 Fluorures159
9.34 Manganèse161
9.35 Médicaments (résidus pharmaceutiques et vétérinaires)164
9.36 Mercure total166
9.37 Microcystine LR et totale167
9.38 Microplastiques168
9.39 Nanoparticules (et colloïdes)169
9.40 N-nitrosodiméthylamine (NDMA)170
9.41 Nickel171
9.42 Nitrates172
9.43 Nitrites179
9.44 Nonylphénol180
9.45 Odeur et saveur180
9.46 Œstradiol (ß)182
9.47 Oxydabilité au permanganate de potassium182
9.48 Perchlorates182
9.49 Pesticides et métabolites183
9.49.1 Les pesticides dans les eaux naturelles et EDCH184
9.49.2 Pour éliminer les pesticides dans les eaux186
9.50 PFAS ou substances alkylées per- et polyfluorées188
9.51 pH ou potentiel hydrogène190
9.52 Plomb192
9.53 PMOC ou polluants organiques polaires194
9.54 Radioactivité - Dose totale indicative194
9.55 Radon196
9.56 Sélénium196
9.57 Sodium197
9.58 Sulfates198
9.59 Température198
9.60 Tétrachloroéthylène et trichloroéthylène200
9.61 Thallium201
9.62 Trihalométhanes (THM)201
9.63 TOX (ou AOX)203
9.64 Tritium204
9.65 Turbidité204
9.66 Uranium206
Sources et supports
208
D. La clarification
10 Coagulation et floculation
225
10.1 Notions théoriques de coagulation/floculation225
10.1.1 Pourquoi une suspension colloïdale ne décante pas ou décante mal ?226
10.1.2 Le potentiel zêta (et le SCD)226
10.1.3 L'agglomération des colloïdes, même déstabilisés, n'est pas spontanée, il faut la provoquer227
10.1.4 Les principaux modes (mécanismes) connus de coagulation/floculation227
10.1.5 Calcul du gradient de vitesse de coagulation et de floculation230
10.2 La pratique de la coagulation/floculation en usine231
10.2.1 Réactifs231
10.2.2 Réacteurs233
10.3 Conditions d'une bonne coagulation/floculation234
10.3.1 Choix des réactifs, de leurs doses et du pH de coagulation234
10.3.2 Doses et pH optimaux de coagulation236
10.3.3 Utilisation de floculants238
10.4 Performances et dysfonctionnements évalués après sédimentation (décantation ou flottation)239
10.4.1 Flocs trop petits et/ou trop légers239
10.4.2 Fuite en coagulant240
10.4.3 Mauvaise élimination du COT (et COD)240
11 Sédimentation (décantation et flottation)
241
11.1 Notions de sédimentation (clarification par voie gravitaire)241
11.1.1 Les vitesses de sédimentation (au sens décantation) et de flottation se calculent ou se mesurent241
11.1.2 La sédimentation sous flux vertical243
11.1.3 La sédimentation sous flux horizontal243
11.1.4 La décantation lamellaire244
11.1.5 La décantation à contact de boues246
11.1.6 Le principe de la flottation à air dissous (FAD) ou aéroflottation246
11.1.7 Les essais en vue d'optimiser la décantation et la flottation248
11.2 La pratique de la décantation251
11.2.1 Décanteurs statiques252
11.2.2 Décanteurs à contact de boues254
11.2.3 Décanteurs « à grande vitesse »255
11.3 La pratique de la flottation257
11.3.1 Bases de dimensionnement257
11.3.2 Ballons de pressurisation258
11.3.3 Différents types de flottateurs à air dissous258
11.4 Performances à attendre259
11.4.1 MES et turbidité259
11.4.2 Matières organiques oxydables (COT et indice permanganate)260
11.4.3 Résiduel en coagulant dissous260
11.4.4 Micro-organismes260
11.4.5 Minéraux toxiques et indésirables261
11.4.6 Micropolluants organiques261
11.4.7 Production de boues261
11.4.8 Dysfonctionnements262
12 Filtration (sur lit de matériau granulaire et membranaire)
264
12.1 Notions de filtration265
12.1.1 Caractéristiques des milieux filtrants265
12.1.2 L'élimination des particules, des phénomènes complexes (détails en G-D18 et G-D19)267
12.1.3 L'hydraulique du lit filtrant (détails en G-D20)268
12.1.4 Transfert hydraulique en filtration membranaire (détails en G-D21 et G-D22)268
12.2 La pratique de la filtration en profondeur269
12.2.1 Différents types de filtres en profondeur et de fonctionnements269
12.2.2 Matériaux granulaires274
12.2.3 Paramètres de dimensionnement de la filtration rapide en profondeur274
12.2.4 Production (ou charge) et fréquence de lavage à attendre274
12.2.5 Monocouche vs bicouche275
12.2.6 Filtration lente275
12.2.7 Principaux dysfonctionnements275
12.3 La pratique de la filtration membranaire276
12.3.1 Membranes, modules et mode d'alimentation276
12.3.2 Mise en ouvre de la filtration membranaire277
12.3.3 Énergie consommée et renouvellement des membranes281
12.4 Performances à attendre282
12.4.1 Les paramètres à mesurer sur l'eau282
12.4.2 Le suivi des filtres en profondeur et de leurs matériaux granulaires285
12.4.3 Le suivi des membranes287
12.4.4 Les performances à attendre289
12.5 La gestion des eaux de lavage de filtration291
12.5.1 Résumé des recommandations 2017 de l'ANSES291
12.5.2 Aspect réglementaire (méthodologie préconisée par l'ANSES)294
12.5.3 Sur le devenir des concentrats de membrane et des eaux sales de lavage295
Sources et supports
296
E. Les traitements d'affinage
13 Mise à l'équilibre
305
13.1 L'équilibre calco-carbonique des eaux305
13.1.1 L'importance du dioxyde de carbone (C02) dissous306
13.1.2 Qu'est-ce que le pH d'équilibre ou de saturation (pHs) ?306
13.1.3 Les paramètres à mesurer307
13.1.4 Détermination de l'agressivité et du caractère entartrant310
13.1.5 Tests et indices312
13.2 Les traitements courants de mise à l'équilibre313
13.2.1 Réactifs314
13.2.2 Neutralisation du CO2 agressif315
13.2.3 Reminéralisation317
13.3 La théorie et la pratique de la décarbonatation par précipitation318
13.3.1 Solubilité de la calcite (CaCO3) et de la brucite (Mg(OH)2)319
13.3.2 Principales réactions mises en jeu et doses théoriques de réactifs319
13.3.3 Mise en ouvre de la décarbonatation (chaux et/ou soude)322
13.3.4 Performances attendues323
13.4 Adoucissement par échange d'ions323
13.4.1 Adoucissement par échangeur de cations fortement acide, régénéré par NaCl323
13.4.2 Décarbonatation par échangeur d'ions faiblement acide, régénéré à l'acide chlorhydrique ou sulfurique324
13.4.3 Autres procédés (indirects) d'adoucissement325
13.4.4 Conseils d'installation et d'utilisation d'adoucisseur domestique325
14 Affinage par charbon actif
328
14.1 L'adsorption : une réaction équilibrée et non instantanée328
14.1.1 Modélisation de l'équilibre (capacité d'adsorption)329
14.1.2 Modélisation de la cinétique (vitesse d'adsorption)332
14.2 Le matériau charbon actif332
14.2.1 Origine et fabrication333
14.2.2 Caractéristiques texturales333
14.2.3 La morphologie (CAG/CAP)334
14.3 Les objectifs recherchés334
14.3.1 Objectifs recherchés335
14.3.2 Sélection d'un charbon actif335
14.4 La filtration sur charbon actif en grains (CAG)336
14.4.1 Mise en oeuvre et exploitation336
14.4.2 Performances habituelles de la filtration CAG337
14.4.3 Inconvénients et dysfonctionnements fréquents de la filtration CAG340
14.5 Les traitements d'affinage avec charbon actif en poudre (CAP) et en micrograins (CAμG)341
14.5.1 Mise en ouvre et exploitation, en général341
14.5.2 Le CAP en clarification341
14.5.3 Les réacteurs à CAP pour traitement d'affinage342
15 Place et rôle de l'ozonation
346
15.1 Préambule346
15.2 Rôle de l'inter-ozonation et résultats attendus347
15.2.1 L'ozone désinfecte efficacement347
15.2.2 L'ozone « fabrique » du CODB347
15.2.3 L'ozone oxyde de nombreuses espèces minérales348
15.2.4 L'ozone diminue les potentiels de formation de THM et TOX348
15.2.5 L'ozone est une barrière efficace contre les micropolluants organiques348
15.2.6 L'ozonation produit des bromates349
15.2.7 En conclusion349
15.3 La pré-ozonation est-elle justifiée ?350
16 Nanofiltration (et osmose inverse basse pression)
351
16.1 Les procédés de NF et OIBP351
16.1.1 Quelles différences fondamentales avec les procédés membranaires de clarification (MF et UF)351
16.1.2 Une mise en ouvre plus complexe352
16.1.3 Place dans la filière de traitement353
16.1.4 Le pré-traitement353
16.1.5 Colmatage et nettoyage des membranes354
16.2 Les performances354
16.3 La nécessité de post-traitements355
Sources et supports
356
F. La désinfection
17 Notions théoriques sur la désinfection chimique
363
17.1 Problématique et objectifs de la désinfection chimique363
17.1.1 Désinfection chimique en usine364
17.1.2 Désinfection en réseau365
17.2 Relations dose/effet en désinfection365
17.2.1 Notion de C.t en désinfection chimique365
17.2.2 Différentes approches d'évaluation de la valeur de t366
17.2.3 Différentes approches d'évaluation de la valeur de C368
17.2.4 Distribution du temps de séjour par traçage369
17.2.5 Quelques valeurs de C.t10 d'après l'US EPA369
17.2.6 Pour la suite de cette partie370
17.3 La physico-chimie (de base) des désinfectants370
17.3.1 Physico-chimie et propriétés du chlore libre372
17.3.2 Physico-chimie et propriétés du dioxyde de chlore377
17.3.3 Physico-chimie et propriétés de l'ozone379
18 La pratique de la chloration
384
18.1 Réactifs et réacteurs384
18.1.1 Chlore gazeux, Cl2384
18.1.2 Hypochlorite de sodium (NaOCl + NaOH) ou eau de Javel et hypochlorite de calcium (Ca(OCl)2)385
18.1.3 Dioxyde de chlore (ClO2) et chlorite de sodium (ClO2-)385
18.1.4 Bassin (ou bâche) de contact en usine386
18.1.5 Analyseur en ligne386
18.2 Conditions d'une bonne chloration en production386
18.2.1 C.τ à appliquer387
18.2.2 Demande en chlore et taux de chloration en production387
18.2.3 Formation de sous-produits de chloration en usine (production)388
18.2.4 Traçages392
18.3 Chloration en réseau de distribution392
18.3.1 Évolution du chlore libre résiduel en réseau392
18.3.2 Évolution du dioxyde de chlore en réseau393
18.3.3 Rechloration en réseau393
18.3.4 Évolution des THM (et AHA) en réseau394
18.3.5 Entretien du réseau par désinfection395
18.3.6 Réactions du chlore et du dioxyde de chlore avec les matériaux du réseau395
18.4 Comment maîtriser le risque de formation de sous-produits de chloration (THM, AHA et autres) ?396
18.4.1 Optimiser l'élimination des précurseurs397
18.4.2 Optimiser les conditions de chloration397
18.5 Les paramètres à contrôler en chloration397
18.5.1 Qualité microbiologique de l'eau398
18.5.2 Qualité physico-chimique de l'eau399
18.5.3 Paramètres de dimensionnement400
19 La pratique de l'ozonation
401
19.1 Réactifs et réacteurs402
19.1.1 Ozone, O3402
19.1.2 Gaz vecteur (air ou oxygène)402
19.1.3 Production d'ozone402
19.1.4 Analyseurs en ligne402
19.1.5 Réacteurs ou cuves d'ozonation403
19.2 Conditions d'une bonne désinfection par l'ozone404
19.2.1 C.τ à appliquer404
19.2.2 Demande en ozone et taux d'ozonation405
19.2.3 Formation de bromates (BrO3-)406
19.3 Comment maîtriser le risque de formation de bromates ?406
19.3.1 Maîtriser le C.τ406
19.3.2 Ozoner à pH le plus faible possible407
19.3.3 Tenter une modélisation permettant ainsi d'évaluer le risque de formation en post- ou inter-ozonation407
19.3.4 Évolution des bromates après leur formation408
19.4 Les paramètres à contrôler en (post- ou inter-) ozonation408
19.4.1 Paramètres spécifiques à l'ozonation408
19.4.2 Organisation spécifique liée au contrôle des bromates409
19.4.3 Paramètres de dimensionnement410
20 Désinfection UV
411
20.1 Physico-chimie et propriétés des radiations UV411
20.1.1 Notion de I.t en désinfection UV (Bunsen-Roscoe)412
20.1.2 Exemples de doses de rayons UV pour l'inactivation des micro-organismes, notamment des virus413
20.2 Génération de rayons UV (lampes UV)413
20.3 Réacteurs414
20.3.1 Description générale414
20.3.2 Contrôle et entretien414
20.4 Conditions d'une bonne désinfection UV414
20.4.1 Transmittance et absorbance414
20.4.2 Doses à appliquer415
20.4.3 Calcul du débit à appliquer416
20.4.4 Performances attendues416
20.4.5 Sous-produits de désinfection417
20.5 Paramètres à contrôler417
20.5.1 Sur la qualité de l'eau à désinfecter417
20.5.2 Sur les équipements417
20.5.3 Cahier des charges418
20.5.4 Sur les eaux désinfectées418
Sources et supports
419
Index
423