Cette séquence prépare à la visite d'une station d'épuration
Elle pourra comporter une partie expérimentale permettant de se familiariser avec des techniques, 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, fonction de service...
Dans un premier temps, 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 ? Les élèves sont amenés à proposer des techniques et à les comparer. Une discussion pourra suivre sur les types de pollution des eaux.
Le retour au problème plus général de la qualité de l'eau doit faire identifier d'autres pollutions, moins visibles, mais tout aussi dommageables. Cette discussion doit permettre d'identifier les questions sur les traitements et le contrôle de qualité à poser lors de la visite prévue de la station d'épuration.
Quant à l’utilisation des expressions, fonction d'usage (disposer d'une eau propre), fonction de service (séparer l'eau des déchets solides qui la polluent) et techniques associées (décantation, filtration, congélation, évaporation...), elle permettra de familiariser les élèves avec ce vocabulaire.
De l’eau sale à l’eau propre
Durée de la séquence : 3 H
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.
1 - Expérimentation
Cette séquence constitue une préparation à la visite de la station d'épuration des eaux usées, avant leur retour au milieu naturel.
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 pathogène1 ou polluant chimique nocif pour la santé… Avant d’être distribuée aux consommateurs, elle est analysée puis éventuellement purifiée dans(rendue potable2) dans une 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.
L'enseignant fait décrire et noter la description de chaque échantillon.
Le professeur 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,
- Congeler l’eau pour récupérer la glace,
- Utiliser du papier filtre,
- 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 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.
L'annexe 2 montre les résultats obtenus avec différents protocoles.
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 », industrielles et les eaux propres de « potables », « traitées »... dont le sens n'est pas toujours clair. Les questions en suspend 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.
- Pour rendre plus claire de l’eau sale, on peut la faire passer à travers un ou plusieurs filtres : c’est la filtration.
- 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 d’un texte retraçant l’histoire du retraitement et du rejet des eaux usées (annexe 3) et se prolonger sur le web. Quels sont les problèmes qui ont été posés au cours des âges ? Qu'a-t-on fait pour les résoudre ?
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 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, 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 ?
[1] Micro-organisme (virus, bactérie, champignon, protozoaire, etc.) capable de créer une maladie chez d’autres organismes, l’homme ou les animaux.
[2] Les normes de qualité de l'eau potable sont réglementées et très rigoureuses pour garantir une eau de qualité propre à la consommation.