1

http://www.olympiades-chimie.fr/

EAU, POLLUTIONS ET DEVELOPPEMENT DURABLE

M. PONTIE * , Professeur à l’université d’AngersTél. : 06 66 92 09 35*maxime.pontie@univ-angers.fr

www.gepea.fr

A Angers, le Mercredi 16 Novembre 2011 15h00 à 16h30 L001

2

PLAN DE LA CONFERENCE

LE CYCLE DE L’EAU

LA RÉPARTITION DE L’EAU SUR TERRE

LA CONSOMMATION D’EAU DANS LE MONDE

LA VARIABILITE DE LA RESSOURCE

LA DEGRADATION DE LA QUALITE

DIAGNOSTIC / REMEDES

CAS D’ETUDES

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

REMERCIEMENTS

3

La plus grande partie de l'eau qui tombe en pluie provient de la mer.

LES ÉTAPES DU CYCLE DE L’EAU

4

Eau non disponible(calottes polaires, glaciers, mers etocéans, sous-sol)

99,6 %

1 milliard 400 millions Km3 d’eau sur Terre

RÉPARTITION DE L’EAU SUR TERRE

Les réservoirs Les stocksOcéans 1 350 000 000Eaux continentales 35 976 700

Glaciers 27 500 000Eaux souterraines 8 200 000

Mers intérieures 105 000Lacs d’eau douce 100 000Humidité des sols 70 000

Rivières 1 700Atmosphère (humidité de l’air) 13 000Biosphère ( cellules vivantes) 1 100

(1 km3 = 1 milliard de litres)

5

Km3/an

4000

3000

2000

1000

01955 1965 1975 1985 1995

2010

années

> 5000 km3/an

LA CONSOMMATION D’EAU DANS LE MONDE

6

CONSOMMATION D’EAU PAR SECTEURS D’ACTIVITÉS (en France, 2000)

Agriculture60*

EDF3

Industrie11

Eau potable26

SecteursConsommation de

l’eau (%)

*70% dans le monde

*Huile végétale 4000 L/kg ; Riz : 2000 L/kg ; Bœuf 13 000 L/kg ; œufs : 2700 L/kgVolailles : 4100 L/kg ! Lait 800 L/kg ; Produits maraîchers : 400 L/kg ; PDT 100 L/kg :Vin 1000 L/kg

7

1 personne/8 sur la planète (800 Millions) n’a pas accès à l’eau potable et 40 % de la population mondiale ne dispose pas d ’un service d’assainissement de base.

GRANDE VARIABILITE DANS LA REPARTITION SPATIALE ET DANS LA QUALITE DES RESSOURCES EN

EAU SUR TERRE

De nombreuses maladies hydriques sont liées à la

grande variabilité de la qualitédes ressources en Eau, Handschumacher P., Sécheresse (2004) 15 (3) 233-241

8

RESSOURCES EN EAU, BESOINS ET DEVELOPPEMENT

Limitation de la qualité des ressources

9

D’où vient la pollution de l’eau ?

Ouvrages de référence : F. RAMADE, Eléments d’Ecologie, Ecologie Appliquée,Sci. Sup, 2005, 864 pages !J. Duchemin, Les substances Toxiques (site internet : « google » SUBSTANCES TOXIQUES�introduction gratuite en pdf, 31 pages)

• Des déséquilibres qui peuvent avoir une origine HUMAINE ou

NATURELLE.

• Quelques exemples de pollutions :

• Fluor et phosphore

• Nitrates dans l’eau

• Pesticides, médicaments, drogues

• Radioactivité

• Microalgues et toxines de microalgues dans les océans et les

mers

• Cyanobactéries et cyanotoxines

…

10

Produit chimique Eau

Sol

Air

Biotope

SourceTransport etTransformation Exposition

Distribution d’un polluant dans l’environnement

Distribution des polluants dans les 3 compartimentsde l’Environnement

11

EAU

SEDIMENTS

ATMOSPHERE

Polluant

Volatilisation

Sédimentation

Précipitations

Flux entrant Flux sortant

Photolyse

Spéciation

Equilibre A/BPrécipitation/DissolutionAdsorption/Désorption

ComplexationOxydo/Réduction

Hydrolyse

Biodégradation

Bioaccumulation

Interfaces Atmosphère-Eau-Sédiments

Ouvrage 1 : Chimie des Milieux Aquatiques , Siqq L., Behra P., Stumm W., Ed. Dunod, 2006, 564 pages (ouvrage de niveau Master, bac+4-5 !)

12

Valeurs limites des paramètres suivants : solubilité dans l’eau (S), coefficient de distribution sédiment ou sol/eau (Koc)et

logarithme du coefficient de distribution octanol /eau (Kow), pour les micropolluants organiques

-> 1000 adsorbable> 20 soluble

> 3 bioaccumulation élevée

Entre 200 et 1000 : moyennement adsorbable

Entre 10 et 20 : moyennent soluble

< 2 bioaccumulation négligeable

< 200 peu adsorbable< 10 : peu soluble

Log KowKoc (coefficient de distribution sédiment/eau) (en cm3/g)

S (mg/L)

DISTRIBUTION D’UN POLLUANT EN MILIEU AQUATIQUE

13

Les organophosphorés (OPs) dans les milieux aquatiq ues

Le méthylparathion (MPT) : un Inhibiteur de choline stérase, très toxique pour l’homme

Solubilité (à 20°C) : 55 mg/L

et son métabolite principal le para-nitrophenol (PNP ) : présente des risques de méthémoglobinémie

méthyl-parathion

HO

para-nitrophénol

Groupement NITRO :-NO2

log Kow ; 3,1 1,91Koc ; 250 < 200

MPT PNP

11,6 g/L

Demi-vie : 1-60 jours 1-3 ans

MW 139,11MW 263,23

Pour l’eau de boisson(eau brute < 2 µg/L) < 60 µµµµg/L tolérés (EPA, US)

< 0,1 µµµµg/L par pesticide (en Europe)

< 100 µµµµg/L pour MPT (Brésil)Dans les effluents industriels :

l’industrie des plastiques 190 µµµµg/L

14

DIAGNOSTIC

ET

REMEDES

15

Les amibes, les bactéries, les virus,

les médicaments (humains et

vétérinaires), le fluor, les métaux

lourds, les nitrates, les pesticides et

leurs métabolites, les drogues, etc

LA POLLUTION INVISIBLE

On ne trouve que ce que l’on cherche…

16

Fluorose dentaire

Jeune sénégalaise de 14 ans exposée à 2 mg/L de F-, région endémique, Fatick, Sénégal

F- > 2 mg/L

EXCES DE FLUOR

Limite de qualité de F- dans l’eau potable : 1,5 mg/L (OMS, 2008)

17

L’excès de nitrates dans les eaux en BRETAGNE

- Article de l’EXPRESS : « Bretagne : les paysans passent au vert »(daté du 22/11/04) – l’idée d’un autre modèle (le DEVELOPPEMENTDURABLE) commence à faire son chemin…

Halte aux marées vertes en Bretagne !!!

50 mg/L de NO3-, c’est la limite de qualité dans l’eau de boisson préconisée par

l’Organisation mondiale de la santé (O.M.S.) )

EXCES DE NITRATES

���� Problème de qualité d’Air (H2S)

18Lac de Ribou, Cholet, France

L’EUTROPHISATION DES EAUX DE RETENUES

EXCES DE PHOSPHORE

���� Perte de BIODIVERSITE

19

Stockage Filtration bi-couche

Eau produite

Traitement

Post-traitementChloration

CoagulantOzone

Coagulant

ACTIFLO Inter-ozonation

pretreatmentpretraitement

Ozonation Charbonen grain

FILIÈRE CLASSIQUE DE POTABILISATION : LA LOGIQUE DU MULTI-BARRIERES

En sortie, au robinet du consommateur ���� problèmes récurrents d’odeurs et de goûts

20

Sept. 2004 – Les Ponts-de-Cé (Maine-et-Loire)

21

Stockage Filtration bi-couche

Eau produite

Traitement

Post-traitementChloration

CoagulantOzone

Coagulant

ACTIFLO Inter-ozonation

pretreatmentpretraitement

Ozonation Charbonen grain

FILIÈRE MODERNE AVEC LES MEMBRANES

Les membranes d’ultrafiltration règlentles problèmes d’odeurs et de goûts

A

22

• l’ultrafiltration : l’eau sous

pression entre dans la fibre

creuse de 1 mm de diamètre

et ressort par des pores de

10 nm de diamètre !!!

Cette technique de filtration

permet de stopper les virus

et les bactéries présents dans

l’eau tout en préservant sa

teneur en minéraux.

23

Microfiltration

Osmose inverse

NanofiltrationUltrafiltration

µm100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001

Algues

Macromolécules organiques

VirusBactéries

Pollens Parasites

Colloïdes

Sels dissous

Composésorganiques

(échellelog.)

PLACE DE L’ULTRAFILTRATION

PARMI LES OPERATIONS DE FILTRATION

Filtration classique

24

Clarification +

désinfection pesticides

Désinfection +pesticides + nitrates

(affinage)

Nanofiltration

MicrofiltrationUltrafiltration

MF/UF + Charbon Actif

Poudre ou Grains*

Désinfection +

+ goûts

+ goûts+ adoucis.

FILTRATION SUR MEMBRANES POUR LA POTABILISATION DES EAUX DE SURFACE

25

Algues, Bactéries,Virus, Matières

Organiques Naturelles et Sels

sont retenus par les membranes…

pour une meilleure qualité de l’Eau

Destinée à la Consommation Humaine

26

CAS D’ETUDE N°1 :

LES NITRATES EN BRETAGNE

27

28

EPURATION DES EAUX USEES PAR LES BACTERIESDU MILIEU NATUREL – CAS DES ESPECES DE L’AZOTE

NH3, NH4+

AEROBIE

ANAEROBIE Diazote gazeux (N2)

DénitrificationFixation

Nitrites

Nitrification

Nitritation

Nitrates

Nitratation Nitrosomonas2 NH4

+ + 3 O2 2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O2 NH4

+ + 3 O2 2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O

Nitrobacter2 NO2

- + O2 2 NO3-2 NO2

- + O2 2 NO3-

Pseudomonas4 NO3

- + 5 CH2 +O 2 N2 + 7 H2O + 5 CO24H+4 NO3- + 5 CH2 +O 2 N2 + 7 H2O + 5 CO24H+

Azotobacter2 N2 (g) + 3 (CH2O) + 3 H2O

MO4 NH4

+ + 3 CO22 N2 (g) + 3 (CH2O) + 3 H2OMO

4 NH4+ + 3 CO2

Cycle de l’azote

29

L’EPURATION DES EAUX MET EN JEU DESREACTIONS D’OXYDO-REDUCTION

ANAEROBIE Diazote gazeux (N2)

Dénitrification

Pseudomonas sp.

4 NO3- + 5 CH2 +O 2 N2 + 7 H2O + 5 CO24H+4 NO3- + 5 CH2 +O 2 N2 + 7 H2O + 5 CO24H+

Cycle de l’azote

2 couples se cachent derrière cette réaction d’oxydo-réduction : NO3-/N2 et CO2/CH2O

30

1er jour de circulation

(23/10/2008)

ETUDES EN LABORATOIRE

UFR Sciences, AngersLaboratoire GEPEA UMR-CNRS 6144

31

Réacteur au premier jour d’élaborationdu biofilm

après une semaine de culture

Confirmation de l ’élaboration de « biofilms »

ETUDE DES BIOFILMS D’EAUX NATURELLES EN LABORATOIRE

32

AVANT DOPAGE EN NITRATES

APRES DOPAGE EN NITRATES A 170 mg/L

33

CAS D’ETUDE N°2 :

LE PHOSPHORE DANS LE LAC DE

RIBOU A CHOLET (Maine-et-Loire)

34

Situation géographique du Lac de Ribou

86 hectares ; 3,2 millions de m3

35Vue aérienne de la retenue de Ribou

(Cholet, Maine-et-Loire, 2003, France)

- Effectuer un DIAGNOSTIC

de la présence de l’élément

Phosphore (P) dans la

retenue de Ribou

(*réserve de 3 Mm3)

36

La classification périodique des éléments

(Mendeleiev, 1869)

37

Phosphore dans les retenues

NordSource CAC, 2006

Qualité de l’eau brute pour l’élément Psur le bassin versant de Ribou

�EAU BRUTE DE « QUALITE PASSABLE A MEDIOCRE »

sens d’écoulement

38

Problématique de l’excès de P …

Les apports :° STEP, engrais chimiques, déjections animales,(50%)

°origine naturelle (50%)

Excès de P Proliférationde cyanobactéries

Production de microcystines

LR(0,1 à 2 µg/L,

Limite de qualité fixée à

1 µg/L) B

→ Baignade interdite depuis 2003

- Les concentrations en P total dans l’eau de Ribou s ont en moyenne de 0,3 mg/L, il faut les abaisser à 0,03 mg/L dans l’avenir pour sortir de l’eutrophisation.

39

La microcystine LR…

La microcyctine, des molécules de masse molaire comprises entre 600 et 1000 g/mol, « susceptibles »

d’être libérées par les cyanobactéries

C49H74N10O12

Masse molaire : 995.2 g/mol.

cyanobactérie

40

Conséquences

de la pollution du Lac de Ribou

Problème de qualité d’eau pour la potabilisation de l’eau de la retenue

Prolifération algale

Interdiction temporaire de baignade durant l’étéet définitive depuis 2003

Eutrophisation duplan d’eau

…et ses conséquences

41

Microfiltration

Osmose inverse

NanofiltrationUltrafiltration

µm100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001

Algues

Macromolécules organiques

VirusBactéries

Pollens Parasites

Colloïdes

Sels dissous

Composésorganiques

(échellelog.)

PLACE DE LA NANOFILTRATION

PARMI LES OPERATIONS DE FILTRATION

Filtration classique

La nanofiltration est une solution trop onéreuse

42

Filtres plantés de roseaux

Principe de fonctionnement

Il s'agit d'un procédé biologique à cultures fixées (MACROPHYTES) au travers de massifs filtrants colonisés par une faune de microorganismes (organisées en BIOFILM, Qu’est-ce qu’un BIOFILM ? ) qui assurent les processus d’épuration .

43

Qu’est-ce qu’un BIOFILM ?

Un biofilm est défini comme une communauté de microorg anismes (algues, bactéries) adhérant à une surface. Cette organ isation constitue le mode de croissance préféré des bactéries.

Photographie d’un Biofilmobtenu sur la tige immergéed’un faux-roseau(mai 2008, GEPEA – UMR CNRS 6144 – M. PONTIE, F. DE NARDI, Sciam Angers)

44

STEP* RURALE (pas de déphosphatation)

Rejet milieu naturel (sans P)

Traitement en sortie de STEP

(Comeau et al, 2006)(Chazarenc, 2010)

*STEP= station d’épuration

45

5 cm 5 cm

Plantes et Biofilms : un synergie pour

l’épuration des eaux de retenues

10 µµµµ m 10 µ10 µ10 µ10 µm

Faux roseau (Phalaris arundinacea)

Biofilm épiphytiquedéposé sur les tiges immergéesd’un faux roseau

Voir De Nardi F. Thèse de l’Université d’Angers, juillet 2009

Aménager des ZONES HUMIDES PLANTEES est moins onéreux

46

Autres voies d’élimination de P• la déphosphatation physico-chimique

(par le fer ou l’aluminium)

Fe3+ + PO43- ���� FePO4

• La déphosphatation biologique

(succession de phases anaérobies/aérobies)

(souvent couplée à de la déphosphatation physico-chimique àla chaux : Ca(OH)2 + HPO4

2- ����CaHPO4 + 2 OH- )

47

Conclusion et perspectives (1)

- le raccordement de l’ensemble des villes et villages du bassin versant de la Moine à une station d’épuration « moderne »équipée d’une déphosphatation chimique

- l’aménagement de stations d’épuration rurales de type lagunage ou à roseaux plantés

- Incitation au changement dans les pratiques agricoles (faciliter le développement d’une agriculture plus raisonnée)

- Installation de périmètres de protection des ressources sensibles et aménagement de zones humides plantées.

48

Conclusion et perspectives (2)

• L’eau une ressource rare et vitale ;

• Une ressource à protéger ;

• Suivi analytique régulier (qualité de l’eau traitée, qualité de l’eau à traiter) ;

• Economiser l’eau ;

• Repenser nos choix alimentaires ;

• Une ressource à partager (entre les hommes, mais aussi avec la faune et l’environnement, dixit G. de Marsily).

49

WEB :

• Agence de bassins : http://www.eaurmc.fr/juniors/

• Portail des informations scientifiques en Pays de la Loire àdestination des Lycées et du Grand Public : http://www.isciences.fr/

OUVRAGES, ARTICLES DE REVUES :

• M. Pontié, Techniques analytiques pour les milieux biologiques et l’Environnement, Techniques de l’Ingénieur, 2010 ;

• M. Pontié et Coll., Les techniques séparatives àmembranes, UIE Edition, 2001 ;

• A. Maurel Le dessalement de l’eau de mer et des Eaux saumâtres, Tech. et Doc. 2006.

Pour aller plus loin…

50

Remerciements

Des organismes publics et privés qui participent à nos travaux de recherche : CAC (Cholet, France), Suez-Lyonnaise des Eaux, CNRS, VEOLIA.

F. De Nardi, A. Thekkedath, H. Dach, K. Kecili et M. Pontié

Merci de votre attention !Merci de votre attention !

www.gepea.fr

51

http://www.olympiades-chimie.fr/

EAU, POLLUTIONS ET DEVELOPPEMENT DURABLE

M. PONTIE * , Professeur à l’université d’Angers*maxime.pontie@univ-angers.fr

www.gepea.fr

A Angers, le Mercredi 16 Novembre 2011 AM