Eau, environnement et traitement des eaux
Chimie durable et chimie verte
Eau, environnement et traitement des eaux
Introduction
L'eau est la molécule la plus abondante à la surface de la Terre et la substance indispensable à toute forme de vie. Pourtant, l'eau douce accessible ne représente que 0,7 % des réserves mondiales. La pression démographique, l'agriculture intensive et l'industrialisation exercent une pression croissante sur cette ressource. Comprendre le cycle de l'eau, les sources de pollution et les techniques de traitement est un enjeu majeur du développement durable.
Le cycle de l'eau
Cycle naturel
L'eau circule en permanence entre les différents réservoirs de la planète grâce à l'énergie solaire et à la gravité :
- Évaporation — L'eau des océans, des lacs et des sols s'évapore sous l'effet du rayonnement solaire.
- Condensation — La vapeur d'eau se refroidit en altitude et forme des nuages.
- Précipitations — Pluie, neige ou grêle ramènent l'eau vers la surface terrestre.
- Ruissellement et infiltration — L'eau ruisselle en surface ou s'infiltre vers les nappes phréatiques.
Réservoirs et temps de résidence
| Réservoir | Volume (%) | Temps de résidence moyen |
|---|---|---|
| Océans | 97,2 % | ~3 000 ans |
| Glaciers et calottes | 2,1 % | ~10 000 ans |
| Eaux souterraines | 0,6 % | ~1 000 ans |
| Eaux de surface | 0,01 % | ~10 jours à 100 ans |
| Atmosphère | 0,001 % | ~10 jours |
Le temps de résidence indique la durée moyenne qu'une molécule d'eau passe dans un réservoir. Plus il est long, plus la contamination est persistante.
Qualité de l'eau : paramètres physico-chimiques
L'évaluation de la qualité d'une eau repose sur la mesure de plusieurs paramètres :
- pH — L'eau potable doit avoir un pH compris entre 6,5 et 9. Un pH anormal indique une contamination.
- Conductivité ($\sigma$) — En $\mu S/cm$, elle traduit la concentration en ions dissous. Une valeur élevée signale une forte minéralisation.
- DBO (Demande Biochimique en Oxygène) — Quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes pour dégrader la matière organique en 5 jours à 20 °C. Exprimée en $mg/L$, une DBO élevée indique une forte charge organique.
- DCO (Demande Chimique en Oxygène) — Quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement toute la matière organique (biodégradable et non biodégradable). La DCO est toujours supérieure ou égale à la DBO.
Le rapport $DBO/DCO$ renseigne sur la biodégradabilité de la pollution : un rapport élevé ($> 0{,}5$) indique une pollution facilement biodégradable.
Polluants de l'eau
Polluants chimiques courants
- Nitrates ($NO_3^-$) — Issus des engrais agricoles, ils provoquent l'eutrophisation des milieux aquatiques. Norme OMS : $< 50$ mg/L.
- Phosphates ($PO_4^{3-}$) — Provenant des détergents et engrais, ils contribuent à l'eutrophisation.
- Pesticides — Perturbateurs endocriniens persistants. Norme OMS : $< 0{,}1$ µg/L par substance.
- Métaux lourds — Plomb ($Pb$), mercure ($Hg$), cadmium ($Cd$), arsenic ($As$) : toxiques même à très faibles concentrations, ils s'accumulent dans les chaînes alimentaires (bioaccumulation).
- Microplastiques — Particules de plastique inférieures à 5 mm, omniprésentes dans les eaux de surface et souterraines.
Traitement des eaux potables
La production d'eau potable à partir d'eau brute suit une chaîne de traitement :
- Captage — Prélèvement dans une rivière, un lac ou une nappe souterraine.
- Dégrillage et tamisage — Élimination des gros débris par des grilles successives.
- Coagulation-floculation — Ajout de coagulants (sels d'aluminium ou de fer) pour agglomérer les particules fines en flocs.
- Décantation — Les flocs sédimentent au fond du bassin sous l'effet de la gravité.
- Filtration — Passage à travers des filtres (sable, charbon actif) pour retenir les particules résiduelles.
- Désinfection — Destruction des micro-organismes par ozonation ($O_3$), chloration ($Cl_2$ ou $ClO^-$) ou UV. Le chlore résiduel assure la protection dans le réseau.
Traitement des eaux usées
Les eaux usées (domestiques et industrielles) sont traitées dans des stations d'épuration (STEP) :
- Prétraitement — Dégrillage, dessablage et dégraissage (élimination des solides grossiers, du sable et des graisses).
- Décantation primaire — Les matières en suspension sédimentent : on obtient des boues primaires (30-40 % de la pollution éliminée).
- Traitement biologique — Des bactéries aérobies dégradent la matière organique dans des bassins d'aération alimentés en oxygène.
- Décantation secondaire — Les bactéries et résidus sont séparés de l'eau épurée. Une partie des boues est recirculée.
- Traitements tertiaires (optionnels) — Dénitrification biologique et déphosphatation.
Dosage des ions en solution
La quantification des espèces chimiques dans l'eau fait appel à plusieurs méthodes analytiques :
- Conductimétrie — La mesure de la conductivité permet de suivre la concentration totale en ions, notamment lors d'un titrage conductimétrique.
- Spectrophotométrie — L'absorbance est proportionnelle à la concentration (loi de Beer-Lambert : $A = \varepsilon \cdot \ell \cdot c$). Utilisée pour doser nitrates, phosphates ou chlore résiduel.
- Titrage — Ajout progressif d'un réactif titrant jusqu'à l'équivalence. Exemples : titrage acido-basique du chlore, titrage complexométrique (EDTA) pour la dureté de l'eau.
Exemples numériques
Calcul de DBO : Une eau usée contient une DBO₅ de 250 mg/L et une DCO de 400 mg/L. Le rapport $DBO/DCO = 250/400 = 0{,}625 > 0{,}5$ : la pollution est facilement biodégradable et se prête bien à un traitement biologique.
Dosage de chlore résiduel : Par spectrophotométrie (méthode au DPD), on mesure une absorbance $A = 0{,}35$ pour une solution de chlore. Avec $\varepsilon = 2{,}0 \times 10^4$ L·mol⁻¹·cm⁻¹ et $\ell = 1{,}0$ cm : $c = A / (\varepsilon \cdot \ell) = 0{,}35 / (2{,}0 \times 10^4) = 1{,}75 \times 10^{-5}$ mol/L.
Enjeux du développement durable
- Accès à l'eau potable — Près de 2 milliards de personnes n'ont pas accès à une eau potable sûre (ONU, 2023).
- Dépollution — Les nouvelles technologies (membranes, photocatalyse, charbon actif biosourcé) améliorent l'élimination des micropolluants.
- Recyclage des eaux grises — La réutilisation des eaux grises (lavabos, douches) pour les toilettes ou l'arrosage réduit la consommation d'eau potable de 30 à 40 %.
À retenir
- L'eau douce accessible représente seulement 0,7 % des réserves mondiales d'eau.
- La qualité de l'eau est évaluée par le pH, la conductivité, la DBO et la DCO.
- Les principaux polluants sont les nitrates, les phosphates, les pesticides, les métaux lourds et les microplastiques.
- Le traitement de l'eau potable suit 6 étapes : captage → dégrillage → coagulation-floculation → décantation → filtration → désinfection.
- Les stations d'épuration traitent les eaux usées par des procédés physiques, chimiques et biologiques.
- Les méthodes de dosage (conductimétrie, spectrophotométrie, titrage) permettent de quantifier les polluants.