Citernes individuelles d'eau potable/ PARTIE 3

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Perspectives de développement

I ] Capacité de développement des citernes

1.1 Optimisation de la récolte des eaux de pluie
1.2 Exemple concret d'exploitation d'un gros batiment

II] Potabilisation

2.1 Analyse des échantillons d'eau récupérés dans les citernes existantes
2.2 Possibilités envisageables pour l'amélioration de la qualité de l'eau
2.2.1 Pollution bactériologique
2.2.2 Filtration
2.3 Conclusion

 

I] Capacité de développement des citernes

1.1 Optimisation de la récolte des eaux de pluie

Dans tous les cas, il est important dans un premier temps de privilégier la construction de citernes près des bâtiments à grande surface et à toit non enherbé où l'indice d'écoulement est supérieur ou égal à 0,8. Il existe déjà une soixantaine de citernes individuelles de 10 m3 chacune. Ces citernes peuvent déjà permettre de répondre aux besoins de 480 personnes dans le village de Mar Loti sur près de 2000 habitants au total. L'objectif n'est pas de construire une citerne par foyer mais d'optimiser la récolte de l'eau de pluie via les toits des maisons. En effet, en construisant plusieurs citernes de 20 m3 chacune près de gros bâtiments du village, cela permettrait à beaucoup d'habitants de Mar Loti d'avoir accès à l'eau de pluie et ceux-ci cesseraient de puiser l'eau des puits, donc la nappe phréatique pourrait se régénérer plus facilement. Plusieurs établissements du village pourraient constituer de bonnes surfaces de récupération d'eau de pluie:

  • la salle des fêtes: 300/350 m²

  • le dispensaire: 150/200 m²
  • la maternité

  • les deux écoles

  • l'église (voir cette possibilité avec le prêtre du village ou l'évêque): forme ronde de 300/350 m²

  • les plus grandes maisons à toit en tôle

 

1.2 Exemple concret d'exploitation d'un gros bâtiment

Prenons pour cet exemple le dispensaire du village, dont les dimensions sont d'à peu près 10m sur 20m soit une superficie de 200 m².

Avec une pluviométrie de 640 mm de pluie pendant l'hivernage, nous pourrions donc récolter jusqu'à 102,4 m3. Dans un souci de faisabilité, nous souhaiterions installer deux citernes de 20 m3, et nous limiterions la surface de récolte à 130 m². Voici les résultats obtenus:

 

Nous remarquons qu'il reste à la fin du mois de juin 216 L d'eau dans la citerne.

Deux citernes de 20 m3 avec une surface de récolte des eaux de pluies de 130 m² permettraient donc en théorie de satisfaire les besoins en eau potable de 36 personnes pendant l'année entière.

De même, l'exploitation du toit de la salle des fêtes (ou du toit de l'église) permettrait quant à elle de satisfaire les besoins en eau de 72 personnes tout au long de l'année en installant 4 citernes autour du bâtiment.

On aurait donc déjà 180 personnes qui auraient accès à l'eau potable en exploitant seulement 3 bâtiments (ce qui correspond à 10 citernes de 20 m3).

 

II] Potabilisation

2.1 Analyse des échantillons d'eau récupérés dans les citernes existantes

Nous avons pu récupérer quelques échantillons d'eau contenue dans les citernes du village. Nous voudrions les faire analyser dans un laboratoire afin de voir si la composition de cette eau se rapproche suffisamment de celle d'une eau potable ou si, au contraire, un quelconque traitement serait nécessaire.

Voici un tableau rappelant les normes françaises et européennes en matière d'eau potable:

Voici également un tableau récapitulant la teneur en ions des eaux de pluies relevées à Dakar:

Ces résultats indiquent clairement combien l’eau de pluie est déjà proche d’une eau potable et même bio-compatible, sans aucun traitement.

Il faudrait également une analyse bactériologique, afin de voir si une filtration appropriée pour se débarrasser des bactéries est nécessaire pour atteindre l’objectif d’une eau potable.

Résultats de nos analyses:
Conductivité de l’échantillon = 686 μS/cm
pH de l’échantillon = 9.79
Température de l’échantillon = 22°C
Pour pouvoir considérer qu’une eau est potable, il faut que:
- la conductivité soit comprise entre 400 et 2000 μS/cm
- le pH soit compris entre 6 et 9.5
- la température soit comprise entre 12 et 25°C
A part le pH trop élevé, les caractéristiques de l’eau relevée sur place respectent les normes concernant les eaux potables. Sachant que les échantillons ont subi les aléas du voyage, il se peut que le milieu ait été quelque peu perturbé ce qui expliquerait la valeur du pH. Malgré tout, nous n’avons aucune donnée concernant la teneur en ions ou encore la quantité de bactéries présentes, c’est pourquoi nous allons tout de même présenter différentes méthodes que l’on pourrait envisager pour améliorer la qualité de l’eau récoltée par les toits.

 

 

2.2 Possibilités envisageables pour l'amélioration de la qualité de l'eau

L'eau de pluie est, en général, une eau de très bonne qualité pour la boisson. Il est tout de même déconseillé de boire l'eau de pluie récupérée du toit sans traitement préalable car, en s'écoulant sur le toit, l'eau se pollue de différentes manières:

  • Pollution bactériologique: des bactéries peuvent êtes présentes sur le toit. L'exemple le plus fréquent est celui de coliformes présents dans des excréments d'animaux sur le toit. Ces bactéries peuvent être éliminées par un stérilisateur U.V. ou une cartouche en céramique spéciale ou encore par ajout d'un désinfectant comme l'eau de javel.
  • Matière organique: sur le toit peuvent se trouver des traces d'hydrocarbures, feuilles en décomposition, etc. Ces composés affectent le goût et la couleur de l'eau. Ils peuvent êtres éliminées de l'eau par une filtration au charbon actif.
  • Particules: poussières et particules diverses affectent l'apparence de l'eau. Elles peuvent être éliminées par filtration.

 

2.2.1 Pollution bactériologique

1) Stérilisateurs UVc
Les stérilisateurs UVc sont des appareils agissant contre les micro-organismes contenus accidentellement dans l’eau, comme les bactéries, les virus, les cystes, les champignons, les moisissures. Les appareils sont conçus en deux parties :

  • La chambre de traitement, appelée aussi réacteur
  • Le module électrique, appelé aussi coffret électrique ou armoire de contrôle.

Les UVc, rayons naturels, diffusés par le soleil, sont stoppés par la couche d’ozone terrestre. Ils sont recréés artificiellement par des lampes UVc, haute ou basse pression, qui ont une action germicide et bactéricide pour stériliser l’eau. Ces lampes émettent une longueur d’onde égale à 253,7 nm. La dose d’exposition en eau potable est réglementée en France à 25 mJ/cm2.
La fréquence émise agit sur l’ADN (effet bactéricide) et l’ARN (effet bactériostatique) des cellules vivantes. L’eau à stériliser circule entre la paroi interne de la chambre et la gaine en quartz de protection de la lampe UVc, qui n’est pas en contact direct avec l’eau. La géométrie de la chambre permet à l’eau de décrire un mouvement en spirale, ce qui a pour conséquence d’augmenter le temps d’exposition des micro-organismes aux UVc, rendant l’action encore plus efficace.
Le prix minimum pour un stérilisateur Uvc est d'environ 900 euros pièce, sachant qu'une lampe UV a une durée de vie d'un an et que son prix est d'environ 80 euros. Ce système pour lutter contre la pollution bactériologique semble donc complètement inadapté à notre projet, surtout que ces appareils sont électriques!

 

Stérilisateur UV

Photo d'un stérilisateur UV

2) Cartouches en céramique
La filtration céramique permet de supprimer de l’eau les micro-organismes dangereux pour la santé. Celle-ci ne peut pas être un système de traitement de l’eau à elle toute seule. La filtration par filtre céramique est en générale extrêmement fine de l’ordre de 0,2 μm (grâce aux minuscules pores de céramique), il est alors possible d’arrêter des microorganismes tels que virus et bactéries. Ils peuvent également retenir les fibres d’amiante, certains parasites et bactéries mais ils ne sont pas suffisants pour désinfecter l'eau par leur seule action. Par exemple ils ne sont pas en mesure de retenir les contaminants chimiques dissous comme le
sodium. Les prix pour les cartouches (cartouche céramique de recharge sans le support) varient de 35 euros TTC à 70 euros TTC et une cartouche est à peine suffisante pour traiter 10 m3. Ce système ne paraît donc pas tellement adapté au projet, puisqu'il faut remplacer la cartouche tous les ans pour chaque citerne, et que celle-ci n'est qu'un complément dans le traitement de l'eau, ce qui augmente encore le prix de revient.

 

3) L’eau de javel
L'eau de javel désinfecte grâce à son pouvoir oxydant. En effet, elle est bactéricide, sporicide, fongicide et virucide (hépatite et sida). L'eau de Javel permet de tuer les bactéries et autres microbes qui entrent en contact avec elle ou avec certains de ses sous-produits (chlore gazeux). Pour être totalement efficace, l'eau de Javel doit agir au moins un quart d'heure.
L'eau de Javel a des propriétés oxydantes dues à l'ion hypochlorite ClO-. L'ion ClO- est un oxydant puissant. L'ion Cl- est son réducteur conjugué. On définit le couple rédox ClO- / Cl-. La réaction de réduction de l'ion hypochlorite ClO- s'écrit : ClO- + 2 H3O+ + 2e- → Cl- + 3 H2O
La décomposition de l'eau de Javel en ion hypochlorite et acide hypochloreux dépend fortement du pH du milieu: à des pH supérieurs à 8, l'eau de Javel perd de son activité désinfectante car elle ne libère plus que 25% (environ) d'ion biocide ClO-. Le pH de l'eau de Javel est basique et compris entre 11,5 et 12,5.
La concentration maximale de chlore admissible fixée par l'OMS est de 5 mg/L.

Lors du traitement il est préférable d'ajouter l'eau de Javel après élimination des matières organiques afin d'éviter la formation de composés organochlorés tels que le chloroforme. Les désinfectants les plus utilisés sont dans l'ordre : l'eau de Javel, l'ozone puis le dioxyde de chlore, l'eau de javel (ou l'hypochlorite de calcium) étant de loin le plus employé. Le tableau suivant rassemble les caractéristiques de ces divers désinfectants :

Le coefficient l se détermine par l'étude de la mortalité, en fonction du temps, de micro-organismes en suspension.
On a : Nt/No = e-lCt avec No et Nt : nombres de microorganismes aux temps 0 et t, l : coefficient spécifique de létalité en L.mg-1.min-1, C : concentration du désinfectant.
L'eau de javel paraît donc être le désinfectant le plus indiqué pour ce projet, en effet celui-ci s'utilise facilement et son coût est très accessible. D'ailleurs ce procédé est déjà utilisé par la population locale.

 

2.2.2 Filtration

Chaque application de filtration de liquides requiert une solution adaptée, en fonction d'un grand nombre de paramètres : débit, fluide à filtrer, objectif de la filtration, etc. Voici quelques principes généraux pour choisir le filtre adapté :

  • Les cartouches filtrantes sont la solution adaptée dans la plupart des cas : l'investissement est modeste, et le choix de cartouches est pratiquement infini.
  • Lorsque le fluide à filtrer est fortement chargé en particules (exemple : eau de puits chargée en sable), un filtre à poche sera plus économique à l'emploi qu'un filtre à cartouche : une poche filtrante a une capacité de rétention plus importante qu'une cartouche filtrante.
  • Les filtres à sable lents emploient des processus biologiques pour nettoyer l'eau, et sont des systèmes non-pressurisés. Les filtres de sable lents n'exigent pas des produits chimiques ni même d'électricité pour fonctionner.
  • Lorsqu'il s'agit de filtrer à des seuils de filtrations inférieurs au micron (on parle de microfiltration), il faut utiliser des cartouches filtrantes à membrane plissée.
  • Les filtres à média filtrant permettent de résoudre une grande variété de problèmes de traitement de l'eau, tels que : déferrisation, correction du pH, etc.

Les deux derniers types de filtres n'auront pas de raisons particulières d'être utilisés dans notre projet. Nous allons donc nous intéresser aux cartouches filtrantes, aux filtres à poche et aux filtres à sables lents.

1) Cartouches filtrante
La filtration par cartouche représente environ les 2/3 de l'ensemble de la filtration de liquides dans l'industrie. Le grand choix de types de cartouches et de carters pour ces cartouches explique le spectre très large d'applications couvertes par cette technologie. Des débits jusqu'à plusieurs dizaines de m3/h peuvent êtres traités par filtration par cartouche. Il existe un modèle de cartouche qui combine la filtration particulaire et la filtration au charbon actif, ce qui présente des avantages évident de facilité et de moindre coût. Comme dit plus haut, la filtration au charbon actif permet de réduire la concentration de chlore libre et de matière organique dans l'eau.
Deux modèles, produits par une entreprise Suisse nommée ozone.ch, pourraient correspondre à ce que nous recherchons:

• Série EPM-10C
Cartouche combinée charbon actif et filtration 20 μm: adaptée aux applications comme la potabilisation d'eau de pluie, recirculations de bains de traitement de surface, et autres applications où une cartouche au charbon actif est employée sans préfiltration préalable. La série EP est constituée exclusivement de composés approuvés FDA (Food Drug Administration). Avantages de cette série: aucun relargage, aucune formation dans le temps d’un passage préférentiel, très grande capacité d’adsorption, un excellent pouvoir de rétention, et un très bon rapport qualité / prix.
Caractéristiques:
- Média: Charbon actif minéral
- Extrémités: Polypropylène
- T° d’utilisation maxi : 83°C
- Voiles anti voltigeur intérieur et extérieur : Polypropylène
- Filet de protection : Polypropylène
- Joints : Buna N
Cette cartouche est utilisable aussi lorsqu'il n'y a pas de préfiltration avant la cartouche à charbon actif.
Le prix est de 17 euros la cartouche, qui a une durée de vie d'environ un an.
• Série DPF
Cette cartouche arrête plus de 85% des particules de 3 μm (filtration nominale) et plus de 99.9% des particules d'une taille de 5 μm (filtration absolue)
La série DPF est constituée exclusivement de composés approuvés FDA (Food Drug Administration). La couche filtrante de fibres de polypropylène thermo soudées est plus de 14 fois plus épaisse que dans les cartouches EPM-10C. La capacité de rétention de particules a été mesurée: chaque cartouche de 10'' peut retenir 35 g de particules avant colmatage.
Caractéristiques:
- Médias filtrants: Charbon actif minéral (noyau) et polypropylène (fibres
thermosoudées)
- Extrémités: Polypropylène
- T° d’utilisation maxi : 51.7° C
- Filet de protection : Polypropylène
- Joints : Buna N
- Perte de charge: 0.1 bar à 3.8 l/min (cartouche de 10'')
Cette cartouche est utilisable aussi lorsqu'il n'y a pas de préfiltration avant la cartouche à charbon actif et l'eau est chargée en particules.
Le prix est de 21 euros la cartouche, qui a une durée de vie d'environ un an.

2) Filtres à poche
Le procédé de fabrication unique (fusion des fibres) donne à ces poches une excellente efficacité de filtration. Après utilisation, ces poches semi–rigides peuvent être très facilement froissées et incinérées. Leur forme particulière permet un changement très rapide.
Les poches sont fabriqués dans le matériau filtrant appelé polypropylène, qui est particulièrement adapté pour la filtration de l'eau, de 1 à 100 μm.
Pour les carters en métal, sont en outre disponibles les matériaux suivants:
- Feutre de polyester, 1 à 100 μm
- Feutre de nylon, 1 à 100 μm
Ces matériaux peuvent êtres utilisés pour la filtration de produits chimiques incompatibles avec le polypropylène.
Le prix minimum d'un filtre à sac (modèle BP410) est de 7 euros pièce, avec une durée de vie d'un an également. Son prix est moins élevé que celui des cartouches, mais il n'y a pas de filtration au charbon intégré, il va donc falloir le rajouter.

3) Filtres à sable lents
Un filtre à sable lent comprend un lit de sable classé reposant sur une couche de gravier. Ce milieu de filtration est contenu dans une boîte verticale comportant, aux deux extrémités, des ouvertures permettant à l'eau d'entrer et de sortir sous l'effet de la gravité. Ce procédé de filtration - une forme de traitement naturel et biologique de l'eau- est utilisé pour éliminer les solides, les précipités, la turbidité et, dans certains cas, les bactéries responsables du goût
et de l'odeur désagréables. La filtration lente sur sable convient bien au traitement des eaux brutes de qualité raisonnable utilisées comme source d'eau. Il s'agit d'un procédé de prétraitement idéal pour les eaux de surface contenant des parasites, des bactéries et des solides en suspension.
Un filtre à sable lent utilisé en mode demande (filtration suivant les besoins) a été mis au point pour répondre à des besoins sur place. L'utilisation en mode demande élimine le besoin d'un débit continu et assure une capacité de stockage plus souple. Ce filtre à sable lent possède l'avantage important de ne pas exiger systématiquement un lavage à contrecourant.
Dans ce procédé de filtration, c'est la couche supérieure de sable qui piège la plus grande partie des contaminants. Selon la qualité de l'eau brute, la couche biologique met de trois à sept jours à se développer après l'installation du filtre. Le système de filtration lente sur sable fonctionnant à la demande est constitué d'un
réservoir d'amont, d'un ou de plusieurs filtres à sable et d'une unité de stockage. Il peut être commandé manuellement ou automatiquement par la pression de l'eau, et être alimenté par diverses sources d'énergie, soit 100 volts CA ou 12/24 volts CC fourni par des accumulateurs ou par un système solaire. La capacité de traitement varie de 1 à 10 litres par minute selon la taille du filtre. Tous les filtres mesurent environ un mètre de hauteur.
Les analyses effectuées montrent que le système élimine efficacement les bactéries coliformes. Afin d'assurer la potabilité de l'eau traitée, il est important de la désinfecter après la filtration.
Le coût des systèmes automatiques varie de 600 $, pour un système à un filtre, jusqu'à plusieurs milliers de dollars pour des systèmes plus gros.
Afin de maintenir leur efficacité, il faudra peut-être remplacer le sable de la couche supérieure et procéder périodiquement à un lavage à contre-courant.
Les systèmes de filtration lente sur sable qui fonctionnent à la demande sont faciles à utiliser et possèdent une longue durée de vie. Pour en assurer la performance, il est essentiel de les exploiter et de les entretenir correctement.
Étant donné leur prix et leur taille, ces filtres à sables ne semblent pas adaptés à des citernes de petites tailles, comme celles qui nous concernent, mais plutôt à des plus gros réservoirs.

 

2.3 Conclusion

La première étape de traitement des eaux de pluies des citernes serait donc la filtration particulaire et au charbon actif, par l’intermédiaire d’une cartouche combinée, dont le prix à l’unité varie de 17 à 21€. Etant donné le nombre de citernes déjà construites, cela représente un investissement annuel important, mais qui cependant semble nécessaire à une bonne qualité de l’eau. En effet, il ne faut pas oublié que la consommation d’eau non potable est la première cause de mortalité dans le monde…
La deuxième étape de traitement des eaux de pluies des citernes serait la désinfection par eau de javel, qui présente les avantages d’être relativement efficace, accessible et facile d’utilisation.