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QUALITE DES EAUX NATURELLES ET DES EAUX DE CONSOMMATION ----------------------------------BESOINS & DEMANDE EN EAU (Tirage mars 2006)

Bèga Urbain OUEDRAOGO Ingénieur de l’Equipement Rural DESS Génie Sanitaire&Environnement

Cours d’AEP : les ressources en eau qualité/ les eaux de consommation qualité

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SOMMAIRE 1 Généralités 2 Différents types d'eaux naturelles 2.1 Cycle de l'eau 2.2 Eaux météoriques 2.3 Eaux de surface 2.3.1 Eaux de rivière 2.3.2 Eaux de ruissellement 2.3.3 Eaux dormantes 2.3.4 Eaux de sources émergeantes 2.4 Eaux souterraines 2.4.1 Eaux des nappes libres 2.4.2 Eaux des nappes captives 2.4.3 Eaux des nappes alluviales 3 Caractéristiques des eaux naturelles 3.1 Les constituants biologiques 3.1.1 Les protozoaires 3.1.2 Les helminthes 3.1.3 Les organismes libres 3.2 Les constituants micro biologiques 3.2.1 Les bactéries 3.2.2 Les virus 3.2.3 Les indicateurs de pollution biologique et/ ou micro biologique 3.2.3.1 Caractéristiques des indicateurs usuels de pollution 3.2.3.2 Autres indicateurs 3.3 Les Constituants physico-chimiques 3.4 Quelques unités d'évaluation quantitative de qualité 4 Classes de qualité des ressources en eau 4.1 Tableau comparatif des eaux de surface et des eaux souterraines 4.2 Classes de qualité des ressources en eau - Usages potentiels 4.3 Classes de qualité des ressources en eau - Traitements appropriés 5 Eau de consommation - Eau potable 5.1 Les caractéristiques principales d'une eau potable 5.2 Caractérisation des eaux de consommation 5.2.1 limites de qualité des eaux brute destinées à la consommation ou à la production d'eau potable 5.2.1.1 Références de l'Union Européenne 5.2.1.2 Références françaises 5.3 Suivi et contrôle de la qualité des eaux de consommation. 5.3.1 Les types d'analyses 5.3.2 Détermination des types d'analyses 5.3.3 Les fréquences d'analyses Annexe 1 Maladies liées des insuffisances dans les domaines de l'Eau et de l'Assainissement Annexe 2 Directives de Qualités pour l'Eau de boisson Annexe 3 Directives pour le suivi et contrôle de la qualité de l'eau de boisson Annexe 4 Extraits du code français de la santé publique: articles traitant du suivi et contrôle de la qualité de l'eau de boisson

Besoins & demande en eau

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1 Généralités Pour traiter l’eau, il est nécessaire de la connaître dans son état original et dans sa destination. Connaître l’eau, c’est pouvoir la caractériser du point de vue physicochimique et/ou bactériologique. La molécule d’eau répond à la formule chimique H2O. Chacun de ces atomes qui composent la molécule d’eau possèdent divers isotopes: 1

2 D 1

Deutérium H

1

3 T

Tritium

1 16 O 8

17 O 8 18 O 8

Il existe de multiples combinaisons entre ces isotopes. Toutefois on a pu établir que la combinaison la plus courante à l’état naturel est la forme H2O. L’eau absolument pure n’existe pas à l’état naturel. En effet dans son cycle, elle va entraîner et dissoudre des matières vivantes et inertes. Ainsi dans la suite du cours il s’agira de l’eau considérée comme mélange. Les éléments constitutifs du mélange peuvent être classés en trois grands groupes: .les matières en suspensions .les matières colloïdales (en suspension) .les matières dissoutes N.B. Les colloïdes sont formées d’amas atomiques ou moléculaires de tailles très variables. Elles sont en général chargées négativement et sont à l’origine de la couleur et de la turbidité des eaux.

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2- Différents types d’eaux naturelles 2.1 Cycle de l’eau Les différentes eaux utilisées pour l’alimentation des hommes se présentent sous les formes naturelles décrites dans le cycle de l’eau ci-après.

2.2- Eaux météoriques: eaux de pluie Au contact de l’atmosphère, les eaux de pluie dissolvent les gaz atmosphériques, en particulier : . L’oxygène et l’azote; . Les gaz provenant des activités industrielles: acides, hydrogène sulfuré, gaz carbonique. Ces eaux sont généralement mobilisées pour l’alimentation à l’échelle familiale (collecte des eaux de pluie tombant sur les toitures), à l’échelle de petites communautés (aménagement de surfaces imperméabilisées (impluvium) afin de collecter les eaux de pluie qui y tombent).

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2.3 Eaux de surface Ce terme s’applique à toutes eaux ruisselantes ou stockées à la surface de la terre. Ce sont les eaux de ruissellement, les eaux de rivière, les eaux dormantes (lacs, barrages, étangs), les eaux de sources émergeantes. Ces eaux se caractérisent par les contacts, eaux /atmosphère et eaux /sol 2.3. 1 Eaux de rivière Leur composition varie avec: . La nature des terrains traversés . Le régime des pluies . La nature des rejets apportés par les eaux de ruissellement (déchets domestiques, agricoles, et industriels). 2.3.2- Eaux de ruissellement En zone rurale elles ont généralement les mêmes caractéristiques que les eaux de rivière. En zone urbaine on note des concentrations élevées d’hydrocarbure (présence de véhicules) et de métaux lourds (lessivage des toits) 2.3.3- Eaux dormantes Les qualités de ces eaux dépendent • de la géologie du terrain réservoir • de la température: une température élevée favorisera le développement des planctons et modifiera les concentrations en O2 et en CO2 • de la nature des vents: la présence de vents assurera une agitation qui favorisera le dégazage du CO2 • du développement des algues (modification des concentrations en O2 et en CO2 Les eaux dormantes sont le siège de diverses manifestations: A la surface, s’opèrent des échanges en O2 et CO2 avec l’atmosphère et la lumière favorise le développement des organismes chlorophylliens avec production d’O2. Au fond de ces eaux il n’y a généralement pas d’O2 (cette profondeur dépend du développement chlorophyllien en surface), et il s’y produit des réactions avec libération de CO2, CH4 (méthane), NH3 (ammoniaque) et H2S. C’est ainsi que les lacs subissent des évolutions au cours de leur vie et se transforme en étang ou marécage: diminution des profondeurs par comblement, coloration des eaux (vert à brun) transparence réduite, déficit en O2 dans les couches profondes, biomasse plus importante, apparition d’algues bleues. Tous ces éléments sont caractéristiques de l’eutrophisation: vieillissement des lacs par enrichissement en matière organique par production photosynthétique d’algues et par apports extérieurs de diverses matières. 2.3.4- Eaux de sources émergeantes Au point d’émergence elles ont pratiquement les mêmes compositions que les eaux souterraines. Au cours de leur écoulement elles rentrent en contact d’autres terrains et avec l’atmosphère et s’enrichissent en d’autres matériaux et gaz.

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2.4- Eaux souterraines Ce sont des eaux de réservoirs souterrains. La composition de ces eaux dépend de la nature et du mode d’alimentation de la nappe. A tout moment l’eau est en contact avec le terrain dans lequel il stagne ou circule: il s’établit un équilibre entre les compositions des terrains et des eaux. Ce sont en général des eaux de bonne qualité si les roches traversées sont perméables en petit. Elles sont caractérisées par, • une absence de MES et d’O2 • une forte concentration en CO2 • une température constante mais élevée Les réservoirs d’eaux souterraines sont appelés nappes. On en distingue trois types. 2.4.1- Eaux des nappes libres: Elles sont directement alimentées par les eaux de ruissellement et leur niveau varie beaucoup avec les saisons. On les retrouve dans les terrains poreux (sables, grès, alluvions...) 2.4.2- Eaux des nappes captives: Elles sont emprisonnées entre deux formations imperméables. L’eau y pénètre à travers des fissures ou fractures des roches. Dans le cas des roches calcaires les fissures originelles sont progressivement élargies par dissolution dans l’eau chargée de CO2 Cela conduit à des cavernes importantes avec parfois formation de cours d’eau souterrains. 2.4.3- Eaux des nappes alluviales: Ce sont les nappes situées dans les terrains alluvionnaires sur lesquels circule un cours d’eau. La composition de ces eaux est largement influencée par celle des eaux de la rivière

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3- Caractéristiques des eaux naturelles De l’analyse du cycle de l’eau il apparaît que l’eau pure n’existe pas à l’état naturel. Au cours de son cycle l’eau se charge d’un certain nombre d’impuretés qui sont: Constituants biologiques - protozoaires - helminthes - les organismes libres Constituants micro biologiques - bactéries - virus Constituants physico-chimiques - composés minéraux intéressant la santé - composés organiques intéressant la santé - composés organoleptiques - composés radioactifs 3.1- Les constituants biologiques 3.1.1- Les protozoaires Trois protozoaires intestinaux pathogènes pour l’homme sont transmissibles par l’eau de boisson : Entamoeba histolytica, Giardia lamblia et Balantidium coli. Ils sont responsables de nombreuses gastro-entérites. Faute de méthodes qualitatives et quantitatives normalisées, on ne recommande pas de programme de surveillance. Les moyens les plus efficaces pour prévenir l’infection sont le suivi et contrôle de la qualité des ressources, la protection des captages et un traitement approprié. Les micro-organismes coliformes ne sont pas de bons indicateurs de Giardia ou d’Entamoeba histolytica présent dans l’eau traitée à cause de la plus grande résistance de ces protozoaires à la désinfection. La coagulation floculation, la décantation et la filtration sont recommandées pour éliminer les protozoaires contenues dans les eaux de surface et les eaux souterraines non protégées. L’ébullition de l’eau est un excellent moyen de lutte contre les trois protozoaires 3.1.2- Les helminthes Tous les helminthes ne sont pas véhiculés par l’eau ; aussi il n’est pas recommandé de les surveiller de façon continue. Les helminthes pouvant être transmis par l’eau de boisson sont regroupés en trois grandes catégories : les trematoda, les cestoda (ténias) et les nematoda (vers ronds). L’eau peut servir à de nombreux vers parasites de l’homme ou des animaux (ténia, bilharzies, ascaris etc ). Les helminthes, leurs œufs et leurs larves ne sont pas éliminés par la désinfection, par contre ils le sont par la filtration. 3.1.3- Les organismes libres Le plancton consiste en organismes microscopiques ou très petits vivants essentiellement en suspension dans l’eau ; Le phytoplancton regroupe des bactéries libres, des champions et des algues Le zooplancton se compose de protozoaires libres, de vers etc… . Cours d’AEP : les ressources en eau qualité/ les eaux de consommation qualité

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Les organismes formant le plancton jouent un rôle très important dans les systèmes d’AEP parce qu’ils perturbent le traitement, produisent des substances toxiques et hébergent des germes pathogènes pour l’homme. Les algues sont généralement responsables des saveur et odeur, couleur et turbidité.

3.2- Constituants micro biologiques Le danger le plus commun et le plus répandu qui menace les eaux en général et les eaux de consommation en particulier est la pollution directe ou indirecte par les eaux usées, les déchets divers ou les défections humaines et/ou animales. Les organismes vivants rencontrés dans les eaux à traiter ou dans les eaux de consommation sont essentiellement : les bactéries, les virus, les champignons, les amibes, les vers et les insectes. Un micro-organisme est dit pathogène quand il est capable de proliférer dans un organisme pluricellulaire en provoquant chez ce dernier des troubles de santé plus ou moins graves. Les micro-organisme non pathogènes sont dits saprophytes. 3.2.1- Les bactéries Ce sont des organismes microscopiques unicellulaires, isolés ou coloniaux. Les principales bactéries pathogènes émises dans le milieu naturel par des porteurs saints ou malades sont essentiellement :  les bacilles de la fièvre typhoïde  les bacilles dysentériques  les vibrions cholériques  le staphylocoque doré, responsable de nombreuses infections cutanées  Eschérichia Coli 3.2.2 - Les virus Ce sont des agents pathogènes extrêmement petits, visibles seulement au microscope électronique. Ils vivent essentiellement dans l’intestin d’un sujet porteur et sont éjectés en grand nombre avec les matières fécales (108 unités /g de matière fécale). On peut trouver dans l’eau, les virus suivants : • les entérovirus responsable, de la poliomyélite • les virus de l’hépatite : seule l’hépatite A est transmissible par l’eau ; le type B est transmissible par transfusion sanguine • les adérovirus qui attaquent les voies respiratoire et les yeux • les rotarovirus qui sont responsables des maladies diarrhéiques (20 à 70 des diarrhées infantiles) 3.2.3- Les indicateurs de pollution biologique et/ou micro biologique Les eaux de consommation devraient être exemptes de germes pathogènes. Ces derniers sont très nombreux. Aujourd’hui il est techniquement possible de déceler la présence de nombreux organismes pathogènes. Seulement les méthodes servant à les dénombrer sont souvent longues et complexes. Aussi les hygiénistes chargés du suivi de la qualité des eaux de consommation procèdent à la recherche d’organismes normalement présents dans les déjections humaines et/ou animales à sang chaud. Cours d’AEP : les ressources en eau qualité/ les eaux de consommation qualité

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La présence de ces micro-organismes témoigne de la présence de matières fécales et partant de celle d’organismes pathogènes. 3.2.3.1- Caractéristiques des indicateurs de pollution Pour être efficaces les indicateurs devraient, • être très abondants dans les excréments humains et/ou animaux et absents ou simplement peu nombreux dans les autres milieux • être faciles à isoler, à identifier et à dénombrer • être incapables de se développer dans l’eau • vivre plus longtemps que les germes pathogènes dans l’eau • être plus résistants que les micro-organismes pathogènes aux désinfectants • être sans risque pour le manipulateur 3.2.31.1- Indicateurs usuels de pollution biologiques Ce sont généralement des germes (en forme de bâtonnets ) témoins de contamination fécale. La famille des coliformes constitue de bons indicateurs de pollution fécale. Les coliformes (coliformes totaux) Le terme coliforme se rapporte à des bactéries aptes à se développer en présence de sels biliaires et capables de faire fermenter le lactose à 35 ou 37°C en produisant de l'acide et de l'aldéhyde dans les 24 à 48 heures. Ils présentent l’avantage d’être faciles à déceler et à dénombrer dans l’eau. Il s’agit des espèces, Escherichia Coli, Citrobacter, entérobacter et Klebsiella . La présence des coliformes n’est pas directement liée à celle de virus. La présence de coliformes traduit soit un traitement inefficace soit une contamination postérieure au traitement. Les coliformes peuvent provenir du sol et/ou de la végétation ; c’est pourquoi la présence d’un petit nombre (1 à 10/100ml) dans les eaux souterraines non traitées peut n’avoir qu’une signification réduite dans le domaine sanitaire si elle ne s’accompagne pas de coliformes fécaux. Les coliformes fécaux (thermotolérants) Ce sont des coliformes capables de faire fermenter le lactose à 44 ou 44,5 °C ; il s’agit de Escherichia coli, de Citrobacter et de Klebsiella. Seul Eschérichia coli est d’origine fécale certaine : il apparaît en grandes quantités dans les déjections humaines et animales et ne se trouve que rarement dans les milieux qui n’ont pas été l’objet d’une pollution fécale. 3.2.3.1.2- Autres indicateurs de pollution fécale Si il subsiste le moindre doute, présence de coliformes avec absence de coliformes fécaux et de E. coli on pourra utiliser d’autres indicateurs pour confirmer ou infirmer la nature fécale de la pollution. Les streptocoques fécaux (S.F.) Leur apparition dans l’eau est en général l’indice d’une pollution fécale. Ils sont plus résistants aux désinfectants que les coliformes. Cours d’AEP : les ressources en eau qualité/ les eaux de consommation qualité

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Pour le contrôle de la qualité d’eau potable ils sont rarement recommandés parce qu’ils persistent dans les eaux modérément chargées en sels . Quand ces bactéries font office d’indicateurs complémentaires, le rapport du nombre des coliformes fécaux à celui des streptocoques fécaux doit être supérieur à 3 pour situer l’origine de la pollution fécale dans les eaux brutes fortement polluées. Clostridiales réductrices des sulfites Ce sont des organismes produisant des spores ; le plus caractéristique est Clostridiale perfringens normalement présent en plus petit nombre dans les fèces que E. Coli. Généralement on ne tient pas compte de ces micro-organismes dans la surveillance de routine des réseaux de distribution : ils tendent à survivre et à s’accumuler et on risque alors de les rencontrer très loin dans le temps et l’espace du point de vue de l’origine de la pollution. Le désinfectant Certains désinfectant ont un caractère rémanent : des concentrations subsistent dans l’eau et peuvent faire face à des pollutions postérieures au traitement. Pour certaines limites de concentration il est établi que les conditions d’existence et/ou de développement des germes pathogènes sont très difficiles. Exemple : pour une eaux de réseau de distribution qui contient 0,2mg de chlore par litre les chances de retrouver dans cette eau des indicateurs de pollution biologique (donc de germes pathogènes) sont pratiquement nulles.

3.3- Les constituants physico-chimiques 3.3.1- Le titre hydro timétrique total ou dureté totale : TH Il est relatif à l’ensemble des cations métalliques présents , à l’exception des ions alcalins. Il renseigne sur la teneurs en cations Ca++ , Mg++ Fe++ etc. En général le TH est assimilé à la seule teneur en calcium et magnésium, éléments dominants dans les eaux naturelles. Les eaux dures s’opposent à cuisson des aliments et se présentent mal pour la lessive : elles empêchent le savon de mousser. Le TH ne présente aucun risque pour la santé, mais peut provoquer l'entartrage des installations de chauffage, des fers à repasser ou des cafetières électriques. Sa grandeur est dépendante de la géologie du sol qu'elle traverse et en général elle varie peu dans le temps. Une eau dure consommera plus de détergents et d'adoucissants dont les rejets sont indésirables dans l'environnement. Une eau trop douce peut être agressive et solubiliser des traces de métaux. L'utilisation d'un adoucisseur doit être surveillée car une eau adoucie doit avoir une dureté > à 15°f pour être potable. 3.3.1.1- Dureté (titre) Calcique : TCa Elle est relative à la seule teneur de l’eau en calcium. Le calcium joue un rôle important dans l’équilibre calcocarbonique. 3.3.1.2- Dureté (titre) Magnésique : TMg Elle est relative à la seule teneur de l’eau en magnésium TH = TCa + TMg Cours d’AEP : les ressources en eau qualité/ les eaux de consommation qualité

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3.3.1.3- Dureté Permanente Tp / Dureté Temporaire TT La dureté permanente tire son nom du fait qu’elle subsiste après ébullition de l’eau, alors que la dureté temporaire a été précipitée sous forme de carbonates insolubles par cette opération. La dureté temporaire se trouvant ainsi à l’état de précipité ne réagit plus avec les réactifs utilisés pour le dosage. TH = Tp + TT 3.3.2- Titres alcali métriques Les espèces basiques présentes dans l’eau se présentent en général sous les formes OH- , CO--3 , HCO-3 , PO4--Il faut préciser que certaines de ces espèces, OH- et HCO-3 sont incompatibles les unes avec les autres, donc ne peuvent pas exister à la fois dans l’eau. 3.3.2.1- Titre alcali métrique simple TA Il ne concerne que les fonctions fortes TA = OH- + (CO3--)/2 3.3.2.2- Titre alcali métrique complet TAC Il est relatif à l’ensemble des fonctions basiques TAC = OH- + CO--3 + HCO-3 En raison de la non coexistence de OH- et HCO-3 on à donc à faire aux deux cas suivants TAC = OH- + CO--3 Ou TAC = CO--3 + HCO-3 3.3.3- Conductivité La conductivité d’une solution ou son inverse, la résistivité est liée à la concentration ionique. Il traduit le degré de minéralisation de la solution 3.3.4- La couleur : Elle peut avoir trois causes naturelles : - minérale par des composés ferreux, de l'argile. - animale par des urochromes. - végétale par les acides humiques Une cause industrielle: les eaux usées Les risques sont très inégaux en fonction de la cause, mais la couleur représente un indicateur de présomption de pollution si elle dépasse l'équivalent de 15mg/l de Pt ou degrés Hazen. 3.3.5- Le pH : Il peut baisser par dissolution du gaz carbonique ou monter au contact de la chaux présente dans le sol. Cours d’AEP : les ressources en eau qualité/ les eaux de consommation qualité

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Une eau acide peut être agressive, et peut attaquer les métaux en se chargeant d'éléments indésirables comme le cuivre ou le plomb. Une eau trop alcaline peut favoriser le dépôt de tartre ; on parle d’eau incrustantes. Le pH peut renseigner sur les conditions de coagulation/floculation et sur le degré d’efficacité de certains désinfectant comme le chlore. 3.3.6- Les nitrates : Ils peuvent arriver dans l'eau directement sous cette forme par le lessivage des nitrates produits dans le sol par la décomposition des matières organiques ou par celui des engrais naturels ou de synthèse. La grande solubilité des nitrates fait que les taux trouvés dans certains captages peuvent varier très vite en fonction des précipitations atmosphériques. Les nitrates peuvent aussi se former dans l'eau par l'oxydation de l'ammoniaque résultant de la décomposition de matière organique. Dans ce cas des nitrites peuvent aussi être présents (phase intermédiaire de l'oxydation). Les risques liés aux nitrates sont surtout importants pour le nourrisson et le fœtus. La toxicité est due aux nitrites formés par la réduction des nitrates dans l'estomac, et conduit au blocage de la fonction oxygénante de l'hémoglobine. La méthémoglobinémie provoque une cyanose qui peut conduire à la mort par asphyxie. Les mêmes effets peuvent se produire chez les animaux jeunes. Une autre toxicité suspectée des nitrates après réduction en nitrites, est la formation de nitrosamines au contact des aliments. Bien que leur pouvoir carcinogène ne soit pas définitivement démontré ,elles font partie des éléments hautement indésirables. La teneur limite d'une eau potable est de 50mg/l , mais l'eau utilisée pour la préparation des biberons ne devrait pas dépasser 20mg/l. 3.3.7-Les nitrites : NO2Ils sont rares dans l'eau puisque l'oxydation les transforme rapidement en nitrates. Leur présence révèle une pollution en cours souvent accompagnée d'une microbiologie positive. lls peuvent être le témoin d'une pollution par les hydrocarbures qui en se décomposant consomment l'oxygène et bloquent la transformation des nitrites en nitrates. 3.3.8- L'ammonium : NH4Peu toxique à faible dose l'ammoniaque dissout est la première étape de la nitrification et révèle un risque micro biologique. En fonction du pH, on le trouvera sous forme d'ammoniaque (pH