Les chemins de l'eau

2 - De l'eau sale à l'eau propre
Auteurs : Michel Lardé(plus d'infos)
Résumé :
C'est le problème du nettoyage d'eaux sales qui est posé, avec une approche expérimentale : comment séparer l'eau des matières solides qui la polluent ? Le retour au problème plus général de la qualité de l'eau doit faire identifier d'autres pollutions, moins visibles, mais tout aussi dommageables, susciter des questions sur les traitements et le contrôle de qualité
Publication : 30 Mai 2013

Avant-propos

Cette séquence pourra comporter une partie expérimentale permettant de se familiariser avec des techniques (décantation, filtration, congélation, évaporation, etc.) et une partie d'appropriation de schéma technologique pour se familiariser avec la terminologie : point de vue de l'usager, du prestataire de service, fonction d'usage (disposer d'une eau propre), fonction de service (séparer l'eau des déchets solides qui la polluent), etc. 

1 - Expérimentation

Cette séquence constitue une préparation à la visite de la station d'épuration des eaux usées.

Il est important de bien faire percevoir aux élèves le décalage du problème par rapport à celui de la potabilité et de la comparaison des eaux de consommation.

Il sera opportun d’inviter les élèves à s'exprimer sur les raisons pour lesquelles on nettoie les eaux usées avant de les rendre à la nature de façon à initier une prise de conscience de la protection de l'environnement.

Il sera aussi utile de les faire s'exprimer sur la différence (ce qu'ils en pensent) entre le traitement des eaux usées avant remise à la nature et la surveillance et le traitement de l'eau puisée dans les nappes phréatiques ou recueillie aux sources ou au puits, en vue de sa consommation.

L’eau du robinet est bonne à boire lorsqu'elle ne contient pas de micro-organisme pathogène ou polluant chimique nocif pour la santé. Avant d’être distribuée aux consommateurs, elle est analysée, puis éventuellement purifiée (rendue potable dans une usine de potabilisation). 

Les eaux usées contiennent des choses diverses dont certaines sont nocives pour l'environnement et qu'il faut éliminer.

La visite concerne une station d'épuration des eaux usées, pas de potabilisation.

 

Proposition d'échantillons d'eau à nettoyer

L’enseignant propose deux types d’eaux contenant des substances diverses. Il ne s'agit pas ici de faire travailler les élèves sur  des eaux usées réelles, domestiques (eau de vaisselle, de lavabo, de sanitaire) ou de ruissellement (gouttière, caniveaux), mais de proposer des échantillons construits ad hoc, sans risque sanitaire potentiel, pour les faire réfléchir sur la façon de nettoyer des eaux sales. Le passage de ces essais à la situation réelle se fera lors de la visite à la station d'épuration.

Chaque groupe d’élèves disposera d'un échantillon de l'un ou l'autre des deux types, répartis par l'enseignant :

  •   l'un comporte huile, savon, papier toilette, épluchures,
  •   l'autre comporte terre, feuilles, sable, graviers.

Les élèves devront répondre au défi : comment rendre l’eau sale plus claire ou comment nettoyer cette eau ? Les échantillons doivent être identiques (mêmes quantités, diversité des saletés) pour que la comparaison de l'efficacité des moyens mis en œuvre pour un même type  soit possible. Ainsi, le mélange qui servira de témoin pourrait comprendre :

  • de l’eau (20 cl.),
  • de la terre (1 c/s),
  • du sable (1 c/s),
  • de l’huile (1 c/s).

L'enseignant fait décrire et noter la composition de chaque échantillon, puis présente aux élèves le matériel mis à leur disposition :

  •  récipients de diverses tailles en plastique (cuvette, bouteilles, etc.), cuillères à soupe, entonnoirs, écumoires,
  •  chauffe-ballons, mini-congélateur de classe, tubes souples,
  •  papier absorbant, filtres, toiles métalliques fines,
  •  produits vaisselle.  

Élaboration d'un protocole  par les élèves

Les élèves doivent  donc imaginer un procédé qui permettrait de « laver » l’eau sale.

Le professeur fait formuler les différentes propositions des élèves en classe entière.

Exemples de propositions recueillies auprès d’élèves de 6e :

  • Filtrer l’eau sale (par exemple avec du papier filtre),
  • Congeler l’eau pour récupérer la glace,
  • Ramasser à la cuillère,
  • Utiliser un nettoyant comme du produit à vaisselle,
  • Faire chauffer l’eau sale.

Expérimentation par les élèves :

Chaque groupe  choisit un  moyen et le met en œuvre sur son échantillon. Un élève choisi comme responsable du matériel va chercher celui dont le groupe a besoin ou demande à l'enseignant ce qui lui manque. L'enseignant devra donc prévoir différents types de moyens pour laisser un choix aux élèves. Un autre élève est choisi comme rapporteur et devra donc gérer la prise d'information  sur ce qui a été fait et ce qui a été obtenu et obtenir l'accord de son groupe sur son résumé.

Comparaison de l'efficacité des protocoles

Le rapporteur de groupe relate à la classe entière les différentes étapes pour arriver à une eau « plus propre »  à partir de son échantillon d’eau sale. Les échantillons traités par les différents groupes sont observés par tous et seront comparés (couleur, odeur, etc.) pour tenter de déterminer la méthode de « lavage » la plus efficace. 

Cet échange permet de mettre en évidence pour chaque protocole, les avantages, les inconvénients, mais surtout les difficultés de mise en œuvre pour un résultat obtenu souvent décevant et impensable à une échelle plus importante.

Parmi les propositions faites pour éliminer les saletés solides, la technique de la filtration semble être la plus efficace.

Si les élèves n'ont pas proposé la décantation (qu'ils ne connaissent pas forcément), l'enseignant fera décrire chacun des échantillons initiaux qu'il aura soigneusement mis de côté et fera comparer cette description à la description initiale. Que s'est-il passé ? Pourquoi le mélange a-t-il changé d’aspect entre les deux récipients ? Les élèves peuvent alors proposer une explication : « les saletés descendent au fond du récipient parce qu’elles sont plus lourdes ! ».

Après avoir retiré les débris qui flottent à la surface du liquide et en récupérant délicatement une grande partie de l’eau, on peut mettre en évidence l’efficacité de cette méthode par comparaison avec les résultats obtenus par les élèves. Plus le liquide aura reposé, plus le processus de décantation sera abouti.

MOYENS

REMARQUES ET CONSTATS

TÉMOIGNAGES PHOTOGRAPHIQUES

Filtrer l’eau sale

Les élèves choisissent plutôt la solution du filtre papier plutôt que des cailloux, du sable ou du tissu.
L’eau sale devient tout de suite plus claire.
Plusieurs passages améliorent le résultat.

Congeler le mélange pour récupérer l’eau en glace

En abaissant la température en dessous de 0°C, le mélange se solidifie en quelques heures.
Tout d’abord, l’eau se solidifie en englobant la terre et le sable puis dans un deuxième temps, l’huile (séparation encore possible).

Utiliser du papier filtre pour extraire l’eau

Par effet de capillarité avec le papier filtre, l’eau se déplace dans un autre pot. Après quelques heures, toute l’eau est passée dans le deuxième pot.
La saleté est restée dans le premier. L’eau est beaucoup plus propre mais pas encore très claire.

Ramasser les saletés à la cuillère

Racler à l’aide d’une cuillère l’eau stagnante  qui est au dessus de l’eau sale après une période de repos (mélange) assez importante.
Dispositif peu efficace et long à mettre en œuvre.

Utiliser du produit vaisselle

Verser quelques gouttes de produit vaisselle et observer le phénomène après mélange.
Le mélange, qui a tendance à mousser, ne modifie en rien son aspect et son contenu.

Faire chauffer l’eau sale

En portant à ébullition le mélange, le niveau baisse. L’eau s’évapore et peut être récupérée sous forme de vapeur dans un pot. La couleur du mélange tend à foncer et les saletés restent.
Moins d’eau et mélange plus sale.

Le moyen « filtrer l’eau sale » semble retenir l’adhésion de l’ensemble des élèves quant à la mise en œuvre à une échelle importante. Le résultat issu de la « capillarité » (technique proposée par un élève) a particulièrement surpris une majorité des élèves. Dès le début de la mise en œuvre, ils ont constaté l’apparition d’un dépôt (sable et terre) au fond du récipient (phénomène de décantation).

Cette étape permet de faire réfléchir les élèves sur les procédures de comparaison : intérêt de conserver un échantillon témoin pour comparer les différents aspects de l’eau tout au long du nettoyage, comparaison des échantillons traités avec une même technique, comparaison des échantillons traités avec des techniques différentes. Ces connaissances devront bien sûr être formulées par les élèves et reprises jusqu'à validation par l'enseignant.

Les élèves peuvent s’interroger sur la potabilité de l’eau qu’ils ont nettoyée, sur le fait qu’elle contient peut-être des substances invisibles qui peuvent être nocives (pathogènes ou toxiques). Deux questions doivent trouver réponse : l'eau ainsi traitée est-elle apte à la consommation ? est-elle apte à être remise dans la nature ?

Il sera utile de faire remarquer que les eaux « sales » sont qualifiées parfois de « usées », « domestiques » ou « industrielles», et les eaux propres de « potables », « traitées », etc., dont le sens n'est pas toujours clair. Les questions en suspens seront à poser lors de la visite.

La mise en commun des réponses permettra d’élaborer par la suite un texte de synthèse dans lequel sera introduit le vocabulaire spécifique.

Synthèse

La synthèse mettra en valeur deux techniques de nettoyage des eaux sales et des éléments de procédure de comparaison.

  1. Pour rendre plus claire de l’eau sale, on peut la faire passer à travers un ou plusieurs filtres : c’est la filtration.
  2. Lorsqu’on laisse reposer de l’eau sale et après avoir retiré les débris qui flottent, certains constituants se déposent au fond et l’eau s’éclaircit : c’est la décantation.

Pour faire une comparaison, il faut contrôler les conditions, se donner des critères de différence et garder un témoin.

La visite d’une station d’épuration mettra en évidence les étapes du nettoyage des eaux usées (sales) et les moyens de les éliminer à chaque étape. Elle permettra, aussi, de mettre en relation les procédés employés en classe et ceux qui sont utilisés dans une station d’épuration, d’expliquer la différence entre une station d'épuration et une station de potabilisation.

 

2 - Étude documentaire historique sur les chemins de l'eau

Les élèves commencent à percevoir qu'actuellement :

  •  les eaux  que l'on boit sont surveillées et garanties potables,
  •  les eaux sales sont recueillies dans les égouts et traitées  pour ne pas polluer l'environnement.

Mais en a-t-il toujours été ainsi ?

Cette recherche peut partir du texte suivant, retraçant l’histoire du retraitement et du rejet des eaux usées, puis se prolonger sur le web. Quels sont les problèmes qui se sont posés au cours des âges ? Qu'a-t-on fait pour les résoudre ?

L’assainissement de l’eau

Tout a commencé à l’époque gallo-romaine !

Les premiers réseaux d'assainissement remontent à l'époque des Romains qui ont été les premiers ingénieurs des réseaux d'eau propre ou usée. Attachant une grande importance à la qualité de l'eau, les Romains ont construit des aqueducs, des thermes, mais aussi des égouts et des latrinesÀ l'époque, l'idée était d'assainir les rues pour le confort des citoyens et non d'épurer les eaux sales. Ces services d'évacuation, avec le temps, furent couverts et enterrés pour des raisons d'odeur et de salubrité.

La solution est venue peu à peu. John Snow  découvrit que la véritable origine du choléra provenait du manque d’assainissement de l’eau (épidémie de 1854 à Londres). Le mouvement « hygiéniste », né en Angleterre, préconise alors de collecter les eaux urbaines et de les mener, par des canalisations enterrées, jusqu'à des sites de rejets en milieu naturel. En 1858, les membres du parlement anglais décident la construction du réseau des égouts de la capitale anglaise.

En 1884, à Paris, on installe les premières canalisations souterraines pour véhiculer les eaux sales hors de la ville. C'est l'invention des égouts qui débouchaient finalement  dans la Seine !

L’assainissement  est avant tout une affaire de salubrité et de santé.

Ensuite… pendant la seconde moitié du XIXe siècle ?

C'est lors de la seconde moitié du XIXe siècle que s'élabore une conception moderne de l'assainissement. Le « tout à l'égout » qui semble être la « solution » ne résout pas le problème de la salubrité. Le fait de rejeter les eaux usées va provoquer progressivement la dégradation de l’eau de la Seine. De 1852 à 1870, Eugène Belgrand et le baron Eugène Hausmann vont très largement contribuer à la modernisation de l’assainissement de la capitale.

L'assainissement devient peu à peu un problème environnemental dans les villes (en campagne, la situation était plus facile, les gens utilisaient des toilettes extérieures ou latrines). Les fleuves ne doivent plus être les lieux d’émission finale de ces grosses canalisations souterraines. Cette mission de l'éloignement de l'eau usée par réseau d’évacuation, ne suffit plus. La croissance continue de l’urbanisation va engendrer une dégradation des milieux naturels des sites de rejet de ces réseaux d’eau. Il faut collecter et traiter cette eau. Il faut « inventer » le traitement de l’eau, d’où l’apparition des stations d’épuration.

Et aujourd’hui ?

L'assainissement, en France, dépend du ministère de l’Écologie, du Développement durable et de l’Énergie. Il s'est généralisé à toutes les villes, aux villages et jusqu'aux maisons isolées dans la campagne. La première loi sur l'eau en France date de 1964 avec une prise de conscience de la gestion nécessaire de cette ressource. En 1996, la notion de contrôle et de service d'assainissement, rendu obligatoire, fait son apparition. Avec l'évolution des pratiques ménagères (produits lessiviels par exemple), les textes réglementaires ont évolué. Il faut trouver les conditions adaptées pour que se développent des bactéries capables de transformer des produits azotés et phosphorés. De nos jours, toutes les stations d'épuration ont l’obligation de ne plus rejeter des eaux usées chargées en azote et en phosphore dans le milieu naturel.

 

Les élèves mettent en commun les informations recueillies et peuvent produire par exemple un tableau récapitulatif (date, amélioration, nouveau problème détecté, etc.).

Le retour à l'époque actuelle recentrera l'attention sur les stations d'épuration (STEP), ce qu'on attend d'elles, ce qu'elles font pour nettoyer l'eau. Le visionnement du diaporama ou des vidéos permet une première approche. Les élèves listent et organisent les questions à poser, avec l'aide de l'enseignant.

Exemple d'organisation de questions :

Questions sur ce qui rend l'eau «  sale » :

  • Qu’est-ce qui peut polluer l’eau ?
  • L'eau claire est-elle propre ?

Question sur la différence entre « usée » de façon domestique et « usée » de façon industrielle :

  • Quel chemin suivent  de nos jours les eaux usées des habitations, celles des industries ?

Questions sur la qualité de l'eau pour la consommation/pour le retour à la nature ? :

  • Quels dégâts peuvent se produire si on rejette de l'eau sale dans la nature ?
  • L'eau qui est traitée est-elle potable ?

Questions sur les moyens utilisés dans la station d'épuration pour traiter les eaux usées :

  • Comment traiter des eaux usées avant réintroduction dans le milieu naturel ?
  • Comment fonctionne une station d’épuration ?