Traitement et épuration des eaux souterraines

• Introduction aux eaux souterraines
• 2. Définition de l'aquifère et des types d'aquifères
• 3. Contamination des eaux souterraines
• 4. Surveillance de la qualité des eaux souterraines
• 5. Processus de traitement des eaux souterraines
• 6. Résumé

Introduction aux eaux souterraines

Les eaux souterraines sont les eaux qui se trouvent sous la surface de la terre, dans les sols poreux ou dans les creux des formations rocheuses. Une accumulation d'eau souterraine est considérée comme un aquifère lorsqu'elle peut fournir une quantité suffisante d'eau pour la consommation humaine. La profondeur à laquelle se trouvent ces espaces rocheux contenant de l'eau est appelée " nappe phréatique ".

L'eau de pluie s'infiltre dans le sol jusqu'à ce qu'elle atteigne le matériau rocheux qui la contient. Ce flux se déplace lentement vers le bas, sous l'effet de la gravité, et finit par atteindre les cours d'eau, les lacs et les océans.

Il est courant de penser que les eaux souterraines sont toujours présentes pour remplir les cavités et circuler dans les galeries. Ce n'est pourtant pas toujours le cas, car elles peuvent occuper les interstices du substrat rocheux ou sédimentaire, qui les retiennent comme une éponge. La seule exception notable concerne les roches solubles, comme les calcaires, qui sont sensibles au processus de karstification, dans lequel l'eau creuse des gouffres, des cavernes et d'autres voies.

Les eaux souterraines sont normalement extraites de la surface par des unités de pompage, mais elles peuvent aussi émerger naturellement par des sources et des infiltrations, formant des réservoirs tels que des oasis, des marécages ou des lacs. D'autre part, les eaux souterraines sont également extraites par la construction de puits pour l'agriculture, l'industrie et la consommation humaine.

Les eaux souterraines représentent environ 30 % de toute l'eau douce disponible sur la planète, et leur volume est supérieur à la masse d'eau retenue dans les lacs ou les rivières, mais inférieur à celle accumulée dans les glaciers.

Les eaux souterraines alimentent un tiers de la population mondiale, mais sont difficiles à gérer en raison de leur forte charge polluante, due à l'activité humaine (agriculture, industrie, hydrocarbures, déchets, etc.), et de la teneur en minéraux du sous-sol (fluor, arsenic, fer, etc.).

La réutilisation de cette eau, tant comme eau potable que pour un usage industriel ou agricole, nécessite des traitements spécifiques en fonction de chaque aquifère, d'où la nécessité d'une analyse et d'un suivi complets de l'eau, car il existe des variations en fonction de la pluviométrie, de la localisation et du type de terrain.

2. Définition de l'aquifère et des types d'aquifères

Un aquifère est une accumulation d'eau dans les pores ou les fissures d'une masse rocheuse perméable qui permet sa circulation. L'aquifère est constitué d'une ou plusieurs couches souterraines de roches ou d'autres strates géologiques qui présentent une porosité et une perméabilité suffisantes pour permettre à l'eau de circuler.

Un aquifère est essentiellement composé de deux zones :

• Zone de saturation, qui est la zone située au-dessus de la couche imperméable, où l'eau remplit complètement les pores des roches. La limite supérieure de cette zone, qui la sépare de la zone vadose ou zone d'aération, est la nappe phréatique et varie selon les circonstances. La zone de saturation diminue en période sèche, lorsque l'aquifère ne se recharge pas ou se recharge moins vite que son débit, et augmente en période humide.                                 
• Aération ou zone vadose, qui est l'espace entre la nappe phréatique et la surface, où tous les pores ne sont pas remplis d'eau.

En fonction de leur structure, on distingue les aquifères libres et les aquifères captifs.

• Aquifères captifs ou confinés : il s'agit de formations dans lesquelles l'eau souterraine est enfermée entre deux couches imperméables et est soumise à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Elle ne reçoit l'eau de pluie qu'à travers une zone où se trouvent des matériaux perméables.
• Aquifères semi-confinés : un aquifère est dit semi-confiné lorsque la couche de sol qui le recouvre a une perméabilité nettement inférieure à celle de l'aquifère lui-même, mais n'est pas imperméable, de sorte que ces aquifères peuvent être déchargés et rechargés à travers cette couche.

Les aquifères peuvent également être classés en fonction de leur composition ou de leur texture :

• Aquifères poreux. Dans ces aquifères, l'eau souterraine est intégrée dans des pores interconnectés, ce qui entrave la transmission interne de l'eau. Par exemple, nous avons les formations de sable et de gravier des alluvions, où les argiles ont une porosité et un stockage maximums, mais pas de transmission ou de perméabilité.

Aquifères fissuraux. Il s'agit d'aquifères dans lesquels l'eau se trouve dans des fissures ou des diaclases, qui sont également interconnectées et réparties de telle sorte que les flux d'eau internes se comportent de manière hétérogène, comme les aquifères karstiques.

Aquifères côtiers

Les aquifères côtiers peuvent également être libres, confinés ou semi-confinés. Ce qui les différencie, c'est la présence de fluides de deux densités différentes : l'eau douce et l'eau salée, la première ayant une densité plus faible.

Cette différence de densité signifie que l'eau douce recouvre l'eau salée dans la zone côtière. L'eau salée pénètre sur le continent sous la forme d'un coin salé qui s'approfondit au fur et à mesure qu'il pénètre sur le continent.

Le bassin aquifère côtier est également alimenté par les précipitations ou par l'écoulement des eaux souterraines en provenance d'autres bassins. L'eau s'écoule par évapotranspiration, évaporation et écoulement souterrain vers la mer.

Recharge de l'aquifère

Les eaux souterraines sont normalement renouvelées par des processus actifs de recharge à partir de la surface, de sorte que le temps nécessaire au renouvellement complet d'un réservoir peut être très long. Dans certains cas, le renouvellement est interrompu par l'imperméabilité des formations géologiques sus-jacentes ou par des événements climatiques tels que la sécheresse.

La recharge peut être directe ou indirecte, selon que les eaux de pluie accèdent directement à la nappe phréatique ou qu'elles doivent traverser les différentes couches du sol avant d'être intégrées dans la nappe phréatique.

L'eau de précipitation (pluie, neige,...) peut avoir différentes destinations une fois qu'elle atteint le sol :

• Le ruissellement est la partie qui s'écoule de la surface de la terre pour former des ruisseaux et des rivières.
• Une autre partie de l'eau s'évapore des couches superficielles du sol ou est libérée dans l'atmosphère par la transpiration des organismes, en particulier des plantes.
• Enfin, une autre partie s'infiltre dans le sol et devient de l'eau souterraine.

La proportion d'infiltration par rapport aux précipitations totales dépend de plusieurs facteurs :

• La lithologie, qui désigne la nature du matériau géologique qui affleure, est influencée par sa perméabilité, qui dépend de la porosité, de la fissuration et de la minéralogie du substrat.
• Un autre facteur influençant l'infiltration est une pente plus ou moins forte.
• La présence d'une végétation dense a une influence complexe. D'une part, elle réduit l'eau qui atteint le sol, mais d'autre part, les racines sont plus perméables et le filet d'eau présent dans la végétation prolonge l'effet des précipitations dans le temps.

La vitesse de déplacement de l'eau dépend du volume des interstices (porosité) et du degré d'intercommunication entre eux. Si les pores sont suffisamment grands, une partie de l'eau s'y écoule librement sous l'effet de la gravité, tandis qu'une autre est retenue par des forces capillaires ou par l'interaction entre les molécules d'eau et les molécules minérales,

Assèchement et surexploitation

Les puits peuvent s'assécher si la nappe phréatique descend en dessous de sa profondeur initiale, ce qui se produit occasionnellement lors des années de sécheresse. Le régime de recharge peut être altéré par d'autres causes, telles que :

• Le reboisement, qui favorise l'infiltration par rapport au ruissellement, mais encore plus l'évaporation.
• Une augmentation de l'étendue des chaussées imperméables, notamment dans les zones urbaines et industrielles.

L'abaissement de la nappe phréatique moyenne se produit chaque fois qu'il y a un prélèvement continu d'eau dans l'aquifère. Toutefois, cet abaissement ne signifie pas que l'aquifère est surexploité. Il y a surexploitation lorsque le total des prélèvements d'eau est supérieur à la recharge.

3. Contamination des eaux souterraines

Les eaux souterraines ont tendance à être fraîches et potables, car la circulation des eaux souterraines a la capacité de purifier l'eau des particules et des organismes polluants. Cependant, l'eau contaminée peut pénétrer dans l'aquifère pour diverses raisons :

• L'activité agricole, qui entraîne l'infiltration de nitrates et d'autres engrais chimiques très solubles.
• Décharges des usines.
• Mauvaise gestion des déchets solides municipaux.
• Produits chimiques à usage domestique.
• Réservoirs de stockage d'eau, fosses septiques et sites d'élimination des déchets.
• Les facteurs naturels. Par exemple, lorsque les aquifères sont trop riches en sels dissous, ou lorsque l'érosion naturelle de certaines formations rocheuses se produit.

Les contaminants les plus fréquemment trouvés dans les eaux souterraines sont les suivants :

• Composés organiques industriels tels que les solvants, les pesticides, les peintures, les vernis, etc.
• Les carburants tels que les hydrocarbures.
• Les nitrates proviennent de différentes sources : engrais, fosses septiques en mauvais état, bassins de rétention des déchets solides non étanches ou infiltration d'eaux usées non traitées.

La contamination peut rester longtemps dans les eaux souterraines pour les raisons suivantes :

• Son faible taux de renouvellement.
• Leur longue période de résidence.
• Il n'est pas facile à traiter en raison de son accès difficile.

Dans les zones de contamination très localisées, il est possible d'appliquer la technique du pompage et du traitement, qui consiste à extraire l'eau de l'aquifère, à la traiter de manière appropriée et à la réinjecter dans l'aquifère.

Les eaux souterraines des zones côtières peuvent être contaminées par le mélange avec l'eau de mer. Cela se produit lorsque le taux d'extraction est trop élevé, ce qui facilite la pénétration de l'eau de mer dans les aquifères d'eau douce. Ce problème peut être résolu en modifiant l'emplacement des puits ou en creusant de nouveaux puits qui éloignent l'eau salée de l'aquifère d'eau douce. Quoi qu'il en soit, tant que les prélèvements sont supérieurs à la recharge en eau douce, la contamination par l'eau salée reste possible.                                                                  

Principales sources de pollution des eaux souterraines

Source de pollution	Type de polluant
Activité agricole	Nitrates, ammoniac, pesticides, micro-organismes fécaux
Assainissement sur place	Nitrates, micro-organismes fécaux, traces d'hydrocarbures synthétiques
Stations-service et ateliers	Benzène, autres hydrocarbures aromatiques, phénols, certains hydrocarbures halogénés
Dépôt final des déchets solides	Ammonium, salinité, certains hydrocarbures halogénés, métaux lourds
Industries métallurgiques	Trichloréthylène, tétrachloréthylène, autres hydrocarbures halogénés, métaux lourds, phénols, cyanure
Ateliers de peinture et d'émail	Alcalobenzènes, tétrachloroéthylène, autres hydrocarbures halogénés, métaux, certains hydrocarbures aromatiques
Industrie du bois	Pentachlorophénol, certains hydrocarbures aromatiques
Nettoyeurs à sec	Trichloréthylène, tétrachloréthylène
Fabrication de pesticides	certains hydrocarbures halogénés, phénols, arsenic, métaux lourds
Décharges de boues domestiques	Nitrates, plomb, zinc, divers hydrocarbures halogénés
Déversements provenant de la production des tanneries	Chrome, salinité, certains hydrocarbures halogénés, phénols
Exploitation et extraction de pétrole et de gaz	Salinité (chlorure de sodium), hydrocarbures aromatiques
Mines de charbon et de métaux	Acidité, métaux lourds divers, fer, sulfates

4. Surveillance de la qualité des eaux souterraines

Le contrôle de la qualité de l'eau dans les aquifères nécessite des mesures préventives pour protéger les caractéristiques physico-chimiques des eaux souterraines et les restaurer dans leur état d'origine en cas de contamination.

Le traitement des eaux souterraines présente certains défis spécifiques, parmi lesquels :

• Des taux d'extraction élevés, typiquement des dizaines de mètres cubes par heure.
• Concentrations relativement faibles de polluants.
• Présence d'une grande variété de polluants.
• Limites très strictes pour la qualité de l'eau traitée.
• Nécessité de fonctionner en continu, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7.

Bien que les eaux souterraines soient partiellement purifiées par percolation à travers les couches du sol, leur traitement peut être compliqué si elles sont contaminées par des substances colloïdales ou dissoutes, tant organiques qu'inorganiques (telles que des hydrocarbures, des sels nocifs comme les nitrates, des métaux comme le fer ou des éléments toxiques comme l'arsenic). C'est pourquoi il est nécessaire d'effectuer des analyses détaillées pour identifier les polluants présents et concevoir un traitement spécifique en fonction des résultats obtenus.

La cartographie des risques est un outil très utile à cet égard. En 2016, un groupe de chercheurs a développé la plateforme d'évaluation des eaux souterraines (GAP)où des experts du monde entier peuvent utiliser et visualiser leurs données analytiques pour produire des cartes de risques de zones spécifiques. La plateforme GAP sert également de forum de discussion pour l'échange de connaissances, contribuant ainsi au développement de meilleures méthodes pour l'élimination des substances nocives de l'eau potable.

5. Processus de traitement des eaux souterraines

Il n'existe pas de traitement unique pour toutes les eaux souterraines. En fonction de leur source et de leur destination, une chaîne de traitement spécifique est définie, qui peut comprendre les étapes suivantes :

5.1 Traitement primaire

L'objectif du traitement primaire est d'éliminer les matières en suspension telles que les microsolides et les colloïdes.

En fonction des contaminants détectés, il peut être nécessaire d'ajouter un oxydant, tel que l'hypochlorite de sodium (NaOCl), qui facilite l'élimination des métaux tels que le fer, et d'ajuster le pH si l'eau est très acide ou alcaline.

L'oxydant contribue également à tuer les virus et les bactéries, garantissant ainsi la sécurité microbiologique de l'eau, ce qui est particulièrement important lorsqu'il s'agit d'eau potable ou d'eau de haute qualité.

La coagulation et la floculation des colloïdes sont des processus fondamentaux pour assurer la séparation de ces particules par sédimentation ou flottation à l'air dissous.

La flottation à l'air dissous (DAF) est une excellente option. La flottation à l'air dissous (DAF) est une excellente option car elle offre les avantages suivants :

• Il s'agit de la technologie la plus efficace pour séparer les solides, les graisses, les huiles, les hydrocarbures et les flocs formés lors du processus de coagulation-floculation.
• Les boues produites dans un système DAF ont une concentration en matière sèche plus élevée que les boues produites par sédimentation conventionnelle.
• L'air ajouté facilite l'élimination des composés volatils présents dans l'eau.

5.2 Traitement secondaire

Dans de nombreux cas, le traitement primaire est suffisant pour obtenir une eau qui peut être réutilisée dans des applications qui n'exigent pas la plus haute qualité, par exemple :

• Eau pour l'irrigation.
• Eaux de lavage industrielles.
• Systèmes de lutte contre l'incendie.
• Nettoyage des rues.
• Eau sanitaire.

Si l'on veut obtenir une eau de haute qualité pour les processus industriels ou même pour la consommation humaine, il sera nécessaire de compléter le traitement primaire par un traitement secondaire, voire tertiaire. Les technologies utilisées dépendent du degré de contamination de l'aquifère. Les procédés les plus courants pour le traitement des eaux souterraines sont les suivants :

• Filtres à sable, à charbon actif ou à lits mixtes.
• Systèmes de filtration membranaire par ultrafiltration (UF) ou osmose inverse (RO).

Pour l'eau destinée à la consommation humaine, un post-traitement est généralement nécessaire pour éliminer l'excès de CO2 et ajouter des sels afin d'équilibrer la faible salinité de l'eau, la rendant ainsi propre à la consommation humaine.

Dans les cas plus exigeants, tels que le traitement de l'eau déminéralisée ou ultrapure, des systèmes d'échange d'ions (IX) sont utilisés, y compris des lits de résine sélectifs et le processus d'électro-ionisation (EDI).

6. Résumé

Environ un tiers de l'eau douce de la planète se trouve sous la surface de la terre et est connue sous le nom d'eau souterraine. Les réservoirs de cette eau, appelés aquifères, peuvent être mobiles ou statiques. Grâce à une filtration naturelle à travers des couches de sable, de gravier et de roches, ces eaux ont tendance à se purifier au cours de leur circulation.

Les eaux souterraines peuvent émerger sous forme de zones humides, de marécages et de puits artésiens en raison de la pression naturelle, ou être extraites par pompage.

Cependant, l'activité humaine introduit des polluants importants dans les aquifères, principalement par le biais de l'agriculture (engrais et pesticides), de l'activité industrielle et des déchets domestiques, qui s'infiltrent dans le sol.

Pour traiter et utiliser les eaux souterraines, une analyse approfondie est nécessaire afin d'identifier les contaminants présents et de concevoir le traitement approprié en fonction de l'utilisation prévue de l'eau.

La flottation à l'air dissous (DAF) est une technologie largement utilisée pour éliminer les métaux, les colloïdes, les matériaux flottants (tels que les hydrocarbures et les colloïdes), une partie de la matière organique et les composés volatils. SIGMADAF dispose de l'expérience, des ressources et d'une large gamme d'équipements pour le traitement spécifique de chaque type d'eau souterraine.

Bibliographie et consultations

Caractéristiques des stations d'épuration des eaux souterraines | 2024 (cesuma.mx)

Traitement des eaux souterraines : processus et étapes - Examen complet

Qu'est-ce que l'eau souterraine ? | Centre international d'évaluation des ressources en eau souterraine (un-igrac.org)

Qualité des eaux souterraines : surveillance et 3 utilisations différentes (rs-ingenieria.es)