Filtration sur berges pour améliorer la qualité de l’eau dans le cadre d’un programme de recharge maitrisée des aquifères à Berlin, en Allemagne.
Filtration sur berge
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En Allemagne, les eaux souterraines sont utilisées pour la production d’eau potable dans la mesure du possible car, par rapport aux eaux de surface, les eaux souterraines sont bien protégées contre la plupart des types de pollution. Leur qualité et leur température sont relativement régulières et leur prélèvement peut être facilement adapté aux fluctuations à court terme de la consommation (Schmidt et al., 2003). Cependant, les eaux souterraines naturelles sont rarement disponibles dans les quantités nécessaires pour couvrir la demande en eau des grandes villes. Ainsi, l’option choisie était d’augmenter l’approvisionnement naturel en eau souterraine avec l’infiltration induite des eaux de surface, ce qui explique le développement des usines d’eau souterraine en Allemagne situées près des rivières. Au début, les eaux souterraines naturelles étaient extraites, ensuite étaient extraites les eaux souterraines mélangées, et plus tard, quasi tout provient de la Filtration sur Berge (FB).
La filtration sur berge est une méthode de prélèvement d’eau dans laquelle l’eau est pompée du sol via les berges d’une rivière (ou d’une autre masse d’eau de surface, appelée dans ce cas filtration sur berge). L’eau prélevée est donc une eau de surface qui a subi un traitement préliminaire en passant sur une courte distance à travers les sédiments et le sol jusqu’à l’endroit où elle est prélevée (https://www.emergency-wash.org/water/en/technologies/technology/riverbank-filtration).
Explication détaillée
La filtration sur berge est une technologie qui fonctionne en pompant l’eau depuis des forages le long des berges d’une rivière. Pendant le processus de pompage, l’eau de la rivière s’infiltre dans les sédiments du lit de la rivière, qui sont purifiés en cours de route (Fig. 5).
La FB est une technologie de prétraitement naturel (solution fondée sur la nature, SFN) qui utilise les aquifères de sable et de gravier comme filtre naturel – au lieu de produits chimiques – pour prétraiter les approvisionnements en eau de surface et en eau souterraine, ce qui constitue une approche rentable.
Fig. 5 – Système de filtration sur les berges de la rivière (https://www.youtube.com/watch?v=Oy3mmckWz1k and Hiscock & Grischek, 2002)
Le type de sédiments entre la source d’eau de surface et la prise d’eau souterraine, ainsi que la distance entre la source d’eau et le point de captage, déterminent à la fois la quantité et la qualité de l’eau. Un équilibre entre les deux est nécessaire : la prise d’eau doit produire une quantité suffisante et une qualité acceptable doit être atteinte.
La figure 6 montre les conditions d’écoulement typiques associées à différents types de systèmes de filtration sur berge.
Fig. 6 – Représentation schématique des types de conditions d’écoulement sur les sites de filtration sur berge (Hiscock & Grischek, 2002).¹
¹La majorité des systèmes de filtration sur berge sont de type 1. L’écoulement des eaux souterraines sous la rivière (types 3, 4 et 6) est généralement négligé sur la plupart des sites. La formation de conditions non saturées sous la rivière se produit si les taux de prélèvement des eaux souterraines ne sont pas adaptés à la conductivité hydraulique du lit de la rivière ou si la conductivité hydraulique du matériau du lit de la rivière s’obstrue en raison de la pollution des eaux de surface (Type 4). Sur certains sites, le lit de la rivière entaille la couche de confinement (type 5). Des puits collecteurs sont utilisés avec des latéraux à différentes profondeurs, de différentes longueurs et directions. Le type 6 ne donne qu’un exemple avec un latéral vers la rivière.
En ce qui concerne la quantité d’eau, le colmatage du lit de la rivière peut constituer un ameublissement massif du sol. Pour y remédier, il a été construit des fossés artificiels et des canaux latéraux pour créer des zones d’infiltration supplémentaires. En outre, les prises d’eau de la FB peuvent également être augmentées grâce à des méthodes de recharge maitrisée des aquifères, telles que les bassins d’infiltration, les bouchons de ravines, les barrages de contrôle, les barrages de fuite et les barrages d’eau souterraine dans les rivières saisonnières.
Pour améliorer la qualité de l’eau et obtenir de meilleures zones d’infiltration, on incorpore depuis peu une couche de sable spécifique dans les fossés de percolation, les canaux et les bassins. Une autre étape de développement a été la construction de bassins de recharge.
Les prises d’eau sont situées à une courte distance d’une source d’eau de surface (généralement moins de 50 mètres), ce qui signifie que le temps de percolation et de rétention peut varier de 5 à 100 jours. La qualité microbiologique, chimique et physique de l’eau de surface est grandement améliorée par la FB grâce à la combinaison des processus de traitement naturel, bien qu’un traitement final soit généralement encore nécessaire. En effet, l’augmentation de la pollution chimique, qui peut se traduire par des concentrations élevées de nutriments, de métaux lourds, de composés organiques et de micropolluants dans l’eau de la rivière, conduit à l’introduction d’étapes supplémentaires de pré et post-traitement pour constituer un système à barrières multiples.
Diverses technologies peuvent être appliquées pour traiter le filtrat des berges, en fonction de la qualité de l’eau de la rivière (Fig. 7).
Fig. 7 – Développement du schéma de traitement des eaux de rivière en Allemagne (Schmidt et al., 2003)
Typiquement, l’aération ou l’ozone peuvent être utilisés pour oxyder le fer et le manganèse des aquifères anaérobies, et le charbon actif peut être utilisé pour l’adsorption et la protection contre les contaminants plus persistants. Les filtres à charbon actif en grains, souvent combinés à l’ozonation et à la filtration, sont également utilisés.
La figure 7 présente le schéma de traitement habituel lorsque la recharge artificielle des eaux souterraines est ajoutée dans des bassins d’infiltration pour augmenter le volume d’eau disponible.
Le traitement de l’eau par FB permet l’élimination des particules, des agents pathogènes, des produits chimiques organiques et inorganiques, le lissage des pics dans les déversements, l’équilibre de la température, la réduction de la formation de THM (trihalométhanes) et la production d’une eau plus stable sur le plan biologique.
Perspectives d’avenir
La majeure partie de l’approvisionnement en eau potable de Berlin provient de la filtration sur berge et de la recharge artificielle des nappes phréatiques. Il s’agit d’un processus dans lequel l’eau de la rivière s’infiltre dans les sédiments du lit de la rivière en étant purifiée en cours de route et pompée dans des puits situés le long de la rivière.
Cette technologie de prétraitement naturel, qui utilise le matériau sédimentaire de l’aquifère comme un filtre naturel pour prétraiter les eaux de surface et les réserves d’eau souterraine, est une approche rentable.
Bien que la filtration sur berge diminue les charges de contaminants présents dans les sources d’eau, des recherches futures sont encore nécessaires sur certains aspects, par ex :
- L’influence des facteurs d’échelle et des conditions environnementales locales sur les interactions sol-eau et les processus de biodégradation.
- La production de produits de transformation indésirables dans l’aquifère et éventuellement dans les puits d’eau potable.
- La dynamique saisonnière de la température et des conditions redox établissant temporellement des zones distinctes où certains composés peuvent modifier leur réactivité, leur capacité à produire des métabolites, et/ou leur comportement redox.
À l’échelle mondiale, les changements climatiques posent également des défis futurs, tels que des températures plus élevées et des précipitations estivales plus faibles. Ces conditions peuvent également avoir un impact sur les concentrations plus élevées de nutriments et de substances organiques persistantes à l’état de traces, ce qui peut entraîner un passage à des conditions plus anoxiques (anaérobies) retardant la dégradation des contaminants.
La gestion des systèmes de filtration sur berge doit être intégrée dans une planification plus large du bassin versant afin de limiter les activités potentiellement polluantes dans la zone de recharge des eaux souterraines et également pour équilibrer les pertes d’infiltration de la rivière avec les besoins écologiques de la rivière.
Entité responsable
Le Berlinwasser Group (Fig. 1) est l’entité responsable de l’approvisionnement en eau des Berlinois « de la manière la plus efficace et la plus durable possible, en garantissant sa qualité par une action responsable, un engagement et l’utilisation de technologies de pointe ».
Fig. 1 – Entité responsable de la mise en oeuvre du projet
Le Berlinwasser Group est également un prestataire de services industriels privilégié dans le secteur de l’eau et des eaux usées dans les régions situées en dehors de Berlin. Cela est dû au savoir-faire particulier acquis par les entreprises qui l’ont précédé et qui étaient actives tant à l’Est qu’à l’Ouest.
Cadre institutionnel
La filtration sur berge (FB) a été appliquée pour la première fois dans la capitale allemande, Berlin, il y a plus de 100 ans. Au cours des 70 dernières années, la FB a produit environ 60 % de l’eau potable de la ville (Gillefalk et al., 2018). Les méthodologies ne cessent de s’améliorer depuis le début.
Le prélèvement d’eau se fait dans environ 650 puits et fait partie d’un cycle de l’eau semi-fermé, où les effluents des stations d’épuration atteignent les masses d’eau de surface soumises à un prélèvement d’eau via la FB pour l’approvisionnement en eau (Fig. 2). Au total, 9 lacs et de nombreux tronçons des rivières de plaine Spree, Dahme et Havel sont concernés par la FB (Gillefalk et al., 2018).
Fig. 2 – Filtration sur berge dans le cadre d’un cycle de l’eau semi-fermé (Gillefalk et al., 2018).
Les fournisseurs d’eau de Berlin produisent environ 75% de l’eau potable par filtration sur berge et recharge artificielle des nappes phréatiques (Fig. 3).
Fig. 3 – Origine de l’approvisionnement en eau souterraine https://www.youtube.com/watch?v=Oy3mmckWz1k
En raison de la pollution, le traitement direct de l’eau de rivière est tombé à 1%.
Afin de pouvoir extraire les quantités nécessaires, les eaux souterraines sont réalimentées avec des eaux de surface traitées, en retenant l’eau dans des bassins de terre peu profonds ou dans des étangs et des fossés naturels. Les couches supérieures du sol agissent comme un filtre géant. Le pouvoir nettoyant naturel du sol améliore la qualité de l’eau sur le plan physique, chimique et biologique, de sorte qu’elle est comparable à celle des eaux souterraines naturelles. En chemin vers les puits, l’eau percolée atteint également la même température que les eaux souterraines.
Cadre géographique
La région d’approvisionnement en eau de Berlin a une superficie de 892 km2 et une population de 3,6 millions d’habitants. Elle s’étend sur 45 km à son point le plus large d’est en ouest, et sur 38 kilomètres du nord au sud. La rivière Spree traverse les quartiers de la ville d’est en ouest, formant une vallée de 7 kilomètres de large, délimitée par des zones élevées au nord et au sud. Elle se jette ensuite dans la vallée de la rivière Havel près de Spandau. Ces vallées font partie de la « vallée glaciaire Varsovie-Berlin » formée par les masses d’eau qui ont fondu après la période glaciaire. Elles sont remplies de sable et de gravier à partir de 30 mètres de profondeur. Ces couches de gravier contiennent les ressources en eau souterraine qui servent de base à l’approvisionnement en eau potable de Berlin. (https://www.bwb.de/en/2164.php) (Fig. 4).
Fig. 4 – Berliner Wasserbetrieb (http://my.page2flip.de/8563996/9953154/9955547/html5.html#/1)
Aperçu historique
L’efficacité de la filtration sur berge et de la recharge artificielle des eaux souterraines est reconnue depuis longtemps en Allemagne. À la fin du 19e siècle, après diverses maladies bactériennes causées par la prise directe d’eau potable dans les rivières (par exemple l’épidémie de choléra à Hambourg en 1892/93), l’extraction directe d’eau de surface pour l’approvisionnement public en eau est tombée en discrédit. Elle a été remplacée ou complétée par le passage artificiel ou naturel de l’eau des rivières dans le sous-sol en raison de son efficacité à éliminer les micro-organismes de l’eau de surface qui s’infiltre (Schmidt et al., 2003).
Aujourd’hui, environ 16% de l’eau potable en Allemagne est produite à partir de filtrat de berge et plus de 300 stations d’eau utilisent la filtration de berge, avec environ 50 stations basées sur la recharge artificielle des eaux souterraines (Fig. 8).
L’approvisionnement en eau de Berlin est un exemple emblématique de la FB et sert de laboratoire vivant pour comprendre et apprendre l’amélioration de la qualité physique, chimique et biologique de l’eau.
Fig. 8 – Sources utilisées pour le traitement de l’eau potable en Allemagne (Schmidt et al., 2003)
Preuve des avantage de la mise en oeuvre
Voici quelques-uns des avantages de la FB :
- Réduit la turbidité de manière rentable.
- Élimine les particules, les contaminants biologiques et les composés biodégradables.
- Améliore la qualité microbiologique, physique et chimique de l’eau par rapport aux eaux de surface.
- Apporte une qualité et une température de l’eau plus constantes.
- Réduit la nécessité/le coût de la désinfection.
- Diminue les coûts de construction et d’exploitation, offrant les coûts les plus bas parmi les options d’approvisionnement en eau (par exemple, par rapport au pompage dans des aquifères plus profonds).
- Génère moins de boues.
- Elle est facile à entretenir.
- Il n’est pas susceptible d’être infesté par des plantes envahissantes et n’a pas d’impact sur les pêcheries.
Potentiel de réplication dans la région SUDOE
L’utilisation de la filtration sur berge a un fort potentiel de réplication dans les régions SUDOE car il s’agit de techniques bien établies et testées dans de nombreux contextes hydrogéologiques présentant des caractéristiques similaires à la région SUDOE. En outre, les conditions spécifiques de cette région (par exemple, des températures élevées avec une forte évaporation ; la prolifération d’algues dans les réservoirs de surface) sont naturellement atténuées lors de l’utilisation de l’eau de la FB.
Le passage de l’eau sous terre avec un système de filtre à sable naturel à barrières multiples présente plusieurs avantages pour le traitement de l’eau potable. Les résultats obtenus à Berlin montrent que pendant l’infiltration et le transport souterrain, des processus tels que la filtration, la sorption et la biodégradation produisent des améliorations significatives de la qualité de l’eau brute, réduisant ainsi les besoins de traitement ultérieurs.
Points clés de la méthode innovante
À Berlin, et dans toute l’Allemagne, la filtration sur berge et la recharge artificielle des eaux souterraines ont été utilisées pour l’approvisionnement en eau potable sur plusieurs sites, en utilisant différentes caractéristiques du sous-sol pour améliorer la qualité de l’eau, et aucune perte de capacité de purification n’a pu être constatée (Schmidt et al., 2003).
La filtration sur berge est une méthode innovante qui fait l’objet d’améliorations constantes, ses principales caractéristiques étant les suivantes :
- Apporter une qualité d’eau (microbiologique, physique et chimique) et une température plus constantes de manière naturelle et rentable.
- Réduire la nécessité/le coût de la désinfection.
- Diminuer les coûts de construction et d’exploitation (moins de boues, entretien facile), offrant les coûts les plus bas parmi les options d’approvisionnement en eau.
Remerciements
Cette pratique innovante a été sélectionnée dans la thématique initiale plus large « Recharge, traitement et stockage des sources d’eau alternatives dans les aquifères (Managed Aquifer Recharge) », après discussion entre PPA et LNEC.
References
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