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1 Description de l’application

1.1 Introduction

L’eau de boisson est pour chacun de nous une denrée alimentaire vitale. Pour assurer la distribution d’une eau de boisson en quantité suffisante et d’une qualité optimale, il convient d’apporter une attention toute particulière à cette ressource qu’est l’eau, de même qu’à son traitement dans les installations d’eau de boisson et aux matériaux utilisés.

Le présent document donne un aperçu des propriétés spéciales de l’eau, des bases légales de la distribution d’eau de boisson et des solutions que R. Nussbaum SA propose dans ce domaine.

1.2 L’eau, une molécule sans nulle autre pareille

Dans des conditions normales, l’eau est un fluide, comme le montre le diagramme de phase. Il s’agit de la seule substance connue qui, sur la surface de la Terre, est présente en quantités importantes dans tous les trois états physiques classiques, à savoir liquide, solide et gazeux.

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Diagramme de phase de l’eau

Point triple

=

Point où toutes les 3 phases sont en équilibre

Point critique

=

Point où les différences entre les deux états physiques liquide et gazeux cessent d’exister. Dans le diagramme de phase, le point correspond à l’extrémité supérieure de la courbe de la pression de vapeur.

L’eau héberge de nombreux organismes et contient en outre des solvants dans un grand nombre de liaisons telles que acides, bases ou sels. C’est pourquoi l’eau tient lieu de moyen de transport dans la nature, tout en étant en plus une substance de départ pour le déclenchement de nombreuses réactions chimiques, p. ex. la photosynthèse. L’eau est une substance qui possède de nombreuses propriétés spéciales lesquelles, prises ensemble, constituent une raison importante pour la présence de la vie sur Terre.

En raison des rapports de ses liaisons chimiques, l’eau présente quelques propriétés physiques exceptionnelles. En effet, contrairement à pratiquement toutes les autres substances, l’eau liquide a une densité supérieure à celle qu’elle possède à l’état solide. En outre, l’eau ne possède pas sa densité maximale à son point de fusion qui est de 0 °C, mais à 4 °C. Dans la nature, cela se traduit, entre autres, par le fait que dans les eaux de surface, les couches de glace surnagent toujours, alors que l’eau gèle en tout dernier au fond, ce qui permet aux poissons de survivre au niveau du sol. Ce fait que la densité maximale se situe à 4 °C est considéré comme étant une anomalie de l’eau.

1.3 Propriétés de l’eau

Les propriétés spéciales de l’eau ont des conséquences sur la vie sur Terre, l’écologie et le climat, et il convient d’en tenir compte pour son traitement et son transport.

Propriété

Grandeur

Particularité

Signification écologique

Densité

Densitéeau max = 1 g/ml

Densité maximale de l’eau à 4 °C

La glace est moins dense que l’eau.

Densitéglace = 0.92 g/ml

  • Les lacs gèlent du haut vers le bas

  • Inversion au printemps et en automne

  • Erosion par l’éclatement par le gel que provoque le volume plus important de glace

Capacité calorifique spécifique

c = 4.18 kJ/(kg·K)

L’eau a la capacité calorifique spécifique la plus élevée parmi les fluides.

  • Océans comme réservoirs thermiques

  • Effet équilibrant sur le climat

Chaleur de fusion

Qfusion = 335 kJ/kg

La chaleur de fusion de l’eau est bien plus élevée que celle d’autres fluides.

Effet compensatoire lors du gel et du dégel des eaux

Chaleur d’évaporation

QV = 2282 kJ/kg

L’eau a la chaleur d’évaporation la plus élevée parmi les fluides.

Effet refroidissant lors d’une transpiration

Conduction thermique

λeau = 0.6 W/(m·K)

Conductivité thermique la plus élevée pour les liquides, mais par contre très faible par rapport aux métaux.

Exemples pour d’autres substances:

λverre = 1 W/(m·K)

λcuivre = 380 W/(m·K)

  • Important pour l’équilibre énergétique des êtres vivants

  • Couches thermiques dans les lacs en été, avec différentes formes de vie selon la couche

Tension en surface

σeau = 0.072 N/m

L’eau a la tension en surface la plus élevée parmi les fluides.

Transport de l’eau grâce aux forces capillaires dans les plantes

Dilatation au réchauffement

env. 4.37 %

De 4 °C à 100 °C

Le phénomène de l’anomalie de l’eau a pour effet qu’elle se dilate à son réchauffement à plus de 4 °C, et à son refroidissement à moins de 4 °C.

A son réchauffement de 10 °C à 60 °C, l’eau se dilate de quelque 2 %, ce qui, pour un chauffe-eau de 300 l, se traduit par le fait qu’env. 4 l s’échappent par la soupape de sûreté.

Dilatation au gel

env. 9 %

De l’état liquide à l’état solide (glace) (0 °C)

Compressibilité

env. 1/2000

L’eau est pratiquement incompressible

Exemples des propriétés physiques de l’eau

1.4 Le cycle de l’eau

Le terme de cycle de l’eau désigne le transport et le stockage de l’eau à une échelle globale et régionale.

Dans son cycle naturel, l’eau change plusieurs fois d’état physique: par son évaporation, des précipitations sous la forme de pluie et de neige, son stockage dans les eaux de surface et dans les couches d’eau souterraine, ainsi que dans les plantes et d’autres organismes. Ces phénomènes n’entraînent aucune perte d’eau, l’eau ne fait que changer d’état.

Le cycle de l’eau est un phénomène naturel qui se déroule indépendamment des actions humaines ou technologiques.

 img
Cycle naturel de l’eau

Le terme cycle artificiel de l’eau désigne le transport et le stockage de l’eau suite à des activités humaines consommatrices d’énergie. Ce cycle a pour fonction d’assurer et de contrôler la distribution d’eau. Les quantités d’eau transportées dans ce cycle sont calculées en fonction des besoins. Que ce soit pour traiter l’eau de boisson ou les eaux usées, il faut des connaissances techniques et de l’énergie pour être en mesure de maintenir un cycle en fonctionnement. Des eaux souterraines polluées par des produits chimiques ou des eaux de surface contenant des germes pathogènes ne peuvent que difficilement, ou plus du tout, être traitées pour en faire une eau de boisson. Le cycle est alors perturbé. Il est d’une importance capitale que l’eau en tant que ressource soit traitée avec circonspection.

 img
Cycle artificiel de l’eau

ARA

=

Installation d’épuration des eaux usées

1.5 Besoins et offre d’eau

Les usages de l’eau sont multiples. Une fraction seulement est utilisée en rapport avec l’alimentation et l’hygiène. Sa plus grande partie (70 %) est à l’usage de l’agriculture. Quelque 22 % servent à l’industrie.

Les besoins en eau du corps humain sont de 2 à 6 litres par jour. Pour assurer l’hygiène quotidienne, il faut prévoir une consommation minimale d’eau de boisson de 20 litres par personne et par jour. Or, aujourd’hui quelque 450 millions de personnes vivent sous cette limite dans au moins 26 pays.

50 litres d’eau de boisson par personne et par jour sont considérés comme étant un besoin de base pour la lessive, la prise d’une douche et la préparation des aliments. 1 milliard de personnes en plus dans 28 pays vivent sous cette limite de besoin de base.

En Suisse, ce sont, par personne et par jour, 142 litres d’eau de boisson qui sont consommés, soit le triple du besoin de base. La part la plus importante (soit 30 %) passe par la chasse d’eau des toilettes.

Alors qu’en Suisse, l’eau propre est présente en abondance, elle est une ressource rare dans de nombreuses régions de la Terre. Une exploitation durable et sur le long terme doit reposer uniquement sur la source d’eau douce renouvelable qu’est la pluie.

Le volume d’eau douce renouvelable et disponible en Suisse s’élève à 6520 m3 par personne et par mois.

1.6 Eau et eau de boisson, ce n’est pas la même chose

L’eau recouvre une grande partie du globe terrestre. La surface des océans représente 71 % de la surface totale de la Terre, ce qui correspond à 361 millions de km2.

La part de l’eau douce dans le régime hydrique de la Terre est cependant très faible puisqu’elle se limite à 3 % environ. En outre, la majeure partie, soit 96 % de la quantité totale d’eau douce, n’est pas directement exploitable étant donné qu’elle est inaccessible:

  • 66 % de l’eau douce est enfermée dans les glaciers de l’Arctique et du Groenland.

  • 30 % de l’eau douce est stockée dans des couches géologiques inaccessibles.

Dans le même temps, nos besoins quotidiens en eau sont en croissance.

Et il est long, le chemin que l’eau douce doit parcourir jusqu’à nos conduites d’eau de boisson. En plus, avant d’être de l’eau de boisson, elle est brute.

Les eaux suivantes sont considérées comme eaux brutes:

  • Eau de pluie

  • Eau de surface

  • Eau souterraine

  • Eau de source

  • Filtrat de rive

Dans la majorité des cas, l’eau est polluée par des impuretés naturelles. Parmi celles-ci, on compte, entres autres, des composés de fer et de manganèse, des sels, des matières solides, voire de la silice. Ces impuretés naturelles se retrouvent surtout dans l’eau souterraine. Cette eau est alimentée par la pluie, la fonte des neiges et des glaciers, ainsi que par l’eau d’infiltration. Lorsque l’eau s’infiltre dans le sol, il y a un intense échange de substances. Selon la nature et la composition du sol, l’eau dissout les substances les plus diverses et les absorbe, les saines comme les nocives.

En Suisse, l’eau est obtenue à partir de trois sources différentes:

  • env. 40 % est issue de l’eau souterraine

  • env. 40 % de sources

  • env. 20 % d’eau de surface, puisée en majorité dans des lacs et des rivières

1.6.1 Comment on différencie l’eau de boisson des autres types d’eau

1.6.1.1 Eau chimiquement pure

L’eau n’existe pas en tant que corps pure dans la nature. Comme elle agit comme excellent solvant et qu’elle abrite de nombreuses espèces vivantes, elle contient toujours des impuretés sous forme de substances dissoutes, de matières organiques et de microorganismes.

Lorsque l’on débarrasse l’eau des sels qui s’y trouvent dissous, à savoir des cations et des anions, on obtient une eau entièrement déminéralisée. Et si on en enlève les sels de calcium et de magnésium, elle est en plus complètement adoucie. Elle recèle cependant encore des matières organiques et des microorganismes.

Enfin, pour que l’eau se présente sous sa forme pratiquement pure de H2O, elle doit encore être distillée.

1.6.1.2 Eau de boisson

L’eau de boisson est une eau douce qui, lorsqu’elle est conforme aux bases juridiques, convient pour nos besoins, en particulier comme eau de boisson ou pour la préparation des aliments, ou encore pour les soins du corps et l’hygiène. Les matières contenues dans l’eau de boisson doivent obéir à des limites et fourchettes bien définies. Il ne doit pas y avoir p. ex. des microorganismes pathogènes. Toutefois, les substances minérales doivent obéir à des concentrations minimales.

Eaux de source et eaux souterraines

Durant son cheminement à travers diverses couches du sol, l’eau est entièrement nettoyée, ce qui la rend idéale pour une utilisation comme eau de boisson.

Propriétés:

  • Peu d’impuretés grossières du fait d’une filtration naturelle lors de son infiltration dans le sol

  • Il s’agit en général d’une bonne eau de boisson que l’on peut en principe utiliser sans traitement préalable

  • Différences dans la teneur en minéraux

  • Température uniforme

Eaux des lacs et des rivières (eaux de surface)

L’exploitation de l’eau de surface des barrages, des rivières et des lacs est également très répandue dans les régions où les eaux souterraines sont insuffisantes.

Propriétés:

  • Eau majoritairement douce (de 10 à 20 °fH)

  • Doit subir, avant son utilisation, un traitement mécanique, chimique et bactériologique

  • L’eau des rivières n’est pas traitée directement mais sert à enrichir artificiellement les eaux souterraines

Eau mixte

On désigne par eau mixte un mélange d’eaux brutes d’origine différente (p. ex. eau de source, souterraine et de lacs) qui circule dans le réseau de conduites de distribution d’eau.

Eau de mer

Dans l’eau de mer, il y a une forte prédominance de sel de sodium. La part de substances minérales est très élevée. Elle est en moyenne de 3.5 % (30 à 33 % pour la Mer morte). La part de chlorure de sodium (NaCl) représente env. 77 % de la part totale de substances minérales.

Dans les régions où l’eau douce est une ressource rare, l’eau de mer, qui est abondante, est traitée pour devenir de l’eau de boisson ou sanitaire. Les quantités d’énergie nécessaires à ce processus sont toutefois tellement élevées que l’on recourt rarement à cette solution pour produire de l’eau de boisson.

Eau minérale

L’eau minérale est en général une eau de source. Pour être reconnue propre à la consommation humaine, elle doit répondre aux exigences de l’«Ordonnance sur l’eau potable, l’eau de source et l’eau minérale». La part de substances minérales peut être d’une teneur très basse à élevée en sels minéraux:

  • Teneur en sels minéraux très faible: < 50 mg/l

  • Teneur en sels minéraux élevée: > 1500 mg/l

Seule l’adjonction de gaz carbonique est autorisée. Une eau minérale à laquelle a été ajouté du jus ou sirop de fruit et du sucre ou un édulcorant artificiel doit être désignée comme boisson de table. Les valeurs limites obligatoires de l’ordonnance sur l’eau potable s’appliquent uniquement à l’eau de boisson. Pour l’eau minérale, ce sont les valeurs limites de la législation alimentaire qui sont applicables.

1.6.1.3 Eau industrielle/eau grise

Une eau traitée pour des usages spéciaux et ne possédant pas la qualité d’une eau de boisson est dite eau sanitaire ou eau grise (p. ex. eau de pluie, eau pour station de lavage automobile). Lorsqu’elle est utilisée dans une entreprise, on parle d’eau industrielle. On l’utilise p. ex. là où il faut une eau particulièrement douce qui ne réduit pas le diamètre des conduites par des dépôts de calcaire; elle sert aussi comme eau de refroidissement, p. ex. dans les centrales nucléaires.

Son utilisation a en général pour effet de la polluer et, avec l’eau de pluie qui s’y ajoute souvent, le tout forme les eaux usées.

1.6.2 Besoins de traitement des diverses eaux brutes

En raison des écarts dans les impuretés que contiennent les eaux de source, souterraines et de lacs, leur degré de traitement peut être plus ou moins important. C’est l’eau de mer qui nécessite le plus d’énergie et un traitement en plusieurs étapes.

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Comparaison de l’énergie nécessaire au traitement des eaux brutes