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Cours de base ============= Notions générales ----------------- #### L'eau sur notre planète - La surface du globe est occupée : - 70.8% par les océans - 0.1% par les glaciers - 2.9% par les calottes glacières - 26.2% par des terres émergées (majorité désert & foret)...

Cours de base ============= Notions générales ----------------- #### L'eau sur notre planète - La surface du globe est occupée : - 70.8% par les océans - 0.1% par les glaciers - 2.9% par les calottes glacières - 26.2% par des terres émergées (majorité désert & foret) #### Les ressources en eaux : - L'eau se trouve sous trois formes physiques : - Liquide (cours d'eau, lacs, océans) - Solide (glaciers, neiges, icebergs...) - Gazeuse (atmosphère). - La quantité d'eau totale présente sur terre se répartie comme suit : - 97,2 % océans, lacs salés, mers intérieures - 2,1 % les glaciers - 0,6 % le sol (eaux souterraines) - 0,01 % lacs d'eaux douces et cours d'eau - De cette masse constante d'eau 97 % est salée et 3 % douce. #### L'eau est indispensable à la vie. - Le corps humain contient en moyenne 45 litres d'eau dont au minimum 2 litres doivent être renouvelés quotidiennement. ### Cycle de l'eau #### L'eau en mouvement - L\'eau suit un cycle naturel immuable au cours duquel elle traverse l\'atmosphère, le sol et le sous-sol. - Son cycle : - L'évaporation - La condensation - Les précipitations - Le ruissellement - L'infiltration https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ea/Cycle\_de\_l%27eau.png - L\'eau au cours de son cycle naturel immuable parcourt l\'atmosphère, le sol et le sous-sol. La qualité de l\'environnement traversé est donc étroitement liée à la teneur en substances nocives de cette eau. 1. #### La pollution de l'eau -- un processus perturbé de dégradation biologique - La perturbation du cycle naturel remonte à la création du \"tout à l\'égout\" au XIXe siècle. S'ils assurent la protection sanitaire des personnes et participent à l\'amélioration de la qualité de vie, ils concentrent les eaux résiduaires dont le rejet présente une menace sérieuse pour les rivières, fleuves, lacs qui les reçoivent et ne permettent pas de \"profiter\" de l\'autoépuration naturelle du sol. Depuis le début du XXe siècle, l\'état de nos eaux s\'est aggravé de manière catastrophique. ### Besoins et consommation d'eau #### Besoin et livraison - En tenant compte du rejet de l\'industrie, artisanat et des services publics, se sont près de 300 l/hab./d (l/hab./j) d\'eaux usées qui par temps sec disparaissent dans une canalisation et aboutissent sur la STEP. #### Consommation domestique - Chaque habitant consomme en moyenne quotidiennement environ 142 litres - Population Totale Équivalente (PTE) : Population (P) + Équivalent-Habitant (EH). - Population P = Habitants permanents, Équivalents habitant EH = Industrie convertie en habitant ### Eaux polluées et non polluées #### Eaux polluées - Sont de nature à contaminer l\'eau dans laquelle elles sont déversées. #### Eaux non polluées - Non pollué n\'est pas équivalent à une eaux ne contenant aucune substance - L\'évaluation dépend donc du milieu récepteur en fonction de la quantité - Eaux claires parasites - Fontaines - Condensat de pompes à chaleur - Des bisses - De l\'arrosage - Des eaux de refroidissement - Des drainages - Trop plein de réservoir d\'eau potable - Eaux pluviales - Provenant des toitures #### Infiltration des eaux non polluées - Garantir une protection globale des eaux - La prévention des pointes de débit extrêmes - L'infiltration et la rétention des eaux - L'entretien et une exploitation sure des installations - Protection suffisante des eaux superficielles et souterraines - Critères devant être pris en compte : - Quantité et qualité des eaux pluviales ? - Capacité d'épuration du sous-sol ? - Existe-t-il une couche d'humus protectrice ? - Existe-t-il un risque pour les eaux souterraines ? ### Qualité des eaux et flux polluants ##### Origine et caractéristiques des eaux usées - Les eaux domestiques - Les eaux industrielles - Les pollutions agricoles ##### La pollution d\'une eau peut se présenter sous deux états physiques : - Les substances solides ou en suspension décantable - Les substances dissoutes ou en solution Les matières colloïdales, formées de particules ne pouvant décanter, sont mesurées en partie avec les matières en solution et en partie avec les matières en suspension. - Paramètres analytiques les plus fréquemment utilisés : - pH - Conductivité - Matières sèches totales (MST) - Matières en suspension (MES) - Matières organiques (MO) - Demande biochimique en oxygène en 5 jours (DBO5) - Demande chimique en oxygène- (DCO) - Carbone organique total (TOC) - Azote sous 3 formes : - L'Ammonium (NH4) - Les Nitrites (NO2) - Les Nitrates (NO3) - Phosphore La qualité des réseaux et des branchements influe sur la qualité des eaux usées transportées. ##### Autre type d'eaux présentes dans les égouts ###### Eaux pluviales - Lors des premières minutes de pluie, les eaux peuvent être chargées en éléments solides ou solubles et l\'on peut observer le phénomène de \"First-Flush\" avec des augmentations de concentration durant les premières minutes de pluie ###### Les eaux claires parasites - Diluent les eaux usées, diminuent les rendements des STEP et augmentent les coûts d\'exploitations dus aux surcharges hydrauliques. #### Aspect quantitatif ##### Mesures quantitatives - Les dimensionnements hydrauliques des STEP alimentés par des réseaux unitaires sont en générale basés sur les paramètres suivant : - Débit de temps sec calculé sur 14 heures (QTS14) - Débit par de pluie (QTP) calculé sur la base de 2 x QTS14 ### Flux polluants par habitant par jour : Équivalent habitant (EH) et Charges spécifiques MES 70 g/d (g/j) DBO5 60 g/d (g/j) DCO 120 g/d (g/j) N total 11 g/d (g/j) dont NH~4~ 7 g/d (g/j) Ptot 1,8 g/d (g/j) Milieu récepteur ---------------- ### Introduction - L\'assainissement des eaux usées est une nécessité pour préserver la qualité des ressources en eau douce et les milieux récepteurs ### Milieux récepteurs - milieux vivants - Cycle de la matière dans les milieux vivants repose sur trois niveaux essentiels : - Les producteurs (végétaux) - Les consommateurs (herbivores et carnivores) - Les décomposeurs #### Cours d'eau ##### Description du milieu - Le cours d\'eau draine les eaux de tout un bassin dont l\'altitude moyenne, la couverture du sol, la nature des roches, la topographie, déterminent l\'alimentation en eau, le régime hydrologique, l\'approvisionnement en matériaux (charriage), les vitesses d\'écoulement et l\'emprise naturelle du cours d\'eau. - Morphologie d'un cours d'eau - Régime hydrologique - Les variations de débit dans le temps - Selon la localisation géographique d\'un cours d\'eau, les hautes eaux se produisent à des saisons différentes - Qualité des eaux - La nature des roches et du sol du bassin versant, l'influence des eaux souterraines, déterminent l\'apport en substances chimiques, tels que les ions (sulfates, carbonates, silicates), les acides humiques, la matière organique. ##### Faune et flore - Végétation aquatique - Les végétaux du cours d'eau se répartissent dans le lit mineur (algues et plantes aquatiques en permanence dans l'eau) et dans le lit majeur (plantes riveraines émergées dépendantes d'une inondation périodique). #### Plans d'eau - Leurs eaux se sont chargées de substances durant leur parcours et vont influencer la qualité et le métabolisme du lac. ##### Description du milieu - Les lacs sont des plans d\'eau dont la profondeur permet la distinction de différentes zones - Zone littorale - De la berge au seuil limite d\'implantation des macrophytes - Zone sublittorale - Généralement assez bien oxygénée - Quelques mousses et algues - Zone profonde - Caractérisée par l\'absence de végétaux fixés - Zone pélagique - Domaine du plancton - Circulation des eaux - La lumière fournit l\'énergie première du métabolisme d\'un lac. Elle permet la photosynthèse et réchauffe les eaux. L\'intensité lumineuse décroît très rapidement avec l\'augmentation de la profondeur. - Stratification de l\'oxygène - La production d\'oxygène est maximale en été dans les couches supérieures des lacs. Dans les couches inférieures, la respiration des végétaux, des bactéries et des animaux entraîne en revanche une réduction progressive de la teneur en oxygène. La décomposition par les bactéries aérobies des cadavres et des détritus tombés au fond en consomme également des quantités considérables et peut mener à l\'anoxie des fonds. - Cycle du phosphore - Le phosphore se présente sous deux formes : - Le phosphore particulaire d'origine naturelle - Constitue près des deux tiers du phosphore parvenant au Léman - L'orthophosphate - D'origine strictement anthropique (lessives et engrais), directement assimilables par la végétation aquatique. - Cycle de l\'azote - L'azote est un élément mineur du point de vue quantitatif, mais il joue un rôle primordial dans le fonctionnement des biocénoses ##### Faune et flore - L\'eutrophisation provoque des poussées d'algues et notamment des proliférations d'algues filamenteuses très gênantes pour les usages habituels : - Eau de boisson - Pêche - Baignade #### Principales sources de dégradation des milieux - Les milieux naturels subissent d'autres types de dégradations : - Les engrais et les produits phytosanitaires - Se traduit essentiellement par une eutrophisation - La réduction des débits - Due - À l'exploitation hydroélectrique, - À l'irrigation, - Aux prélèvements d'eau potable ou industriels - Les purges, vidanges des barrages ou des prises d'eau - Restitutions soudaines de volumes importants - L'endiguement des cours d'eau réduit - Les zones riveraines n'offrent plus suffisamment d'habitats ### Impact de l'assainissement sur les milieux récepteurs #### Rejets de STEP et qualité des eaux - L\'impact des rejets de STEP dans les eaux courantes reste important, pour deux raisons principales : - Un débit trop faible du milieu récepteur, naturellement ou par intervention de l\'homme, conduisant à une dilution insuffisante des rejets dans la rivière ; - Le caractère artificiel du cours d\'eau récepteur (canalisation) qui inhibe les processus naturels d\'autoépuration - Principaux paramètres : - Phosphore - Les STEP apportent une partie importante du phosphore assimilable dans le milieu naturel - Le taux de déphosphatation devrait être le plus élevé possible - Azote - - Matière organique - Il est présent dans l'eau sous forme dissoute (COD) - Matières en suspension - Leur dépôt peut produire un colmatage ou un envasement qui détruit parfois les habitats de nombreuses plantes et animaux aquatiques et nuit au développement de certaines espèces. - Métaux lourds - Ils ne sont pas biodégradables et s'accumulent dans les sédiments et sont toxiques pour la faune aquatique - Citons l'arsenic (As) - Le plomb (Pb) - Le cadmium (Cd) - Le chrome (Cr) - Le cobalt (Co) - Le cuivre (Cu) - Le molybdène (Mo) - Le nickel (Ni) - Le zinc (Zn) - Micropolluants - Les produits phytosanitaires - Les hydrocarbures - Les phénols - Les détergents ou tensioactifs - Décomposition dans le milieu naturel est très lente #### Effet sur les cours d'eau ##### Rapport de dilution - Les normes ont été calculées pour garantir le respect des objectifs de qualité en basant sur un rapport de dilution de 1/10 en période d'étiage, quel que soit le type de cours d'eau. - Si la STEP respecte ces normes, l'impact est estimé supportable pour le milieu. - Par prudence et pour protéger les rivières plus sensibles, il existe des exigences supplémentaires. Dans ce cas, la garantie d'un impact mineur est atteinte avec un rapport de dilution de 1/20. ##### Effets sur les communautés benthiques - Benthique = qui vit au fond des eaux. - Les atteintes au système se manifestent par les modifications suivantes des êtres vivants du biotope - Diminution, voire disparition des espèces sensibles - Prolifération et apparition d'autres espèces moins sensibles - Réduction de la productivité si la turbidité liée aux MES est trop importante - Contamination de la chaîne alimentaire par les micropolluants ##### Effets sur les peuplements piscicoles - On remarque une chute de 15 % de la population en aval des STEP. - Une diminution de fertilité chez les truites adultes, ainsi qu\'une mortalité plus élevée des œufs, ont été relevées à l\'aval des rejets de STEP - L'ammoniac provoque, même à de faibles concentrations, des lésions au niveau des branchies et perturbe le transport de l'oxygène dans le sang 1. ### Evaluation de la qualité des milieux récepteurs Cette méthode est facilement applicable pour déterminer l\'impact des DO et des STEP sur les cours d\'eau. CS1 === Chimie et laboratoire --------------------- ### La matière #### L'atome - Plus petite particule en laquelle un élément peut être divisé par des moyens chimiques - L\'atome est constitué d\'un noyau et d\'électrons (e) qui gravitent autour (sur des couches). - Le noyau lui-même est constitué de protons (p) et de neutrons (n). Les électrons sont chargés négativement (-), - Les protons sont chargés positivement (+), les neutrons sont neutres #### La masse atomique - Masse d'un atome de cet élément ##### Les isotopes - Nombre de neutrons qui définit les isotopes de cet élément #### Les éléments - Substance formée d'une seule sorte d'atomes. #### Le composé - Une molécule constituée d\'atomes différents liés chimiquement ensemble #### La molécule - Regroupement d'au moins deux atomes qui sont unis par une liaison chimique #### La masse moléculaire - Masse d'une molécule - Égale à la somme des masses atomiques des atomes constituant cette molécule  #### La mole - Quantité d\'atomes OU de molécules #### La masse molaire atomique - moléculaire (M) - Masse atomique exprimée en gramme/mole (g/mol). ### La liaison chimique - Le partage ou le transfert d\'un ou plusieurs électrons entre deux atomes - Deux types de liaisons chimiques : #### La liaison ionique - Transfert d\'électrons d\'un atome à un autre - L'atome qui perd un ou des électrons a une valeur d\'électronégativité plus faible que celui qui gagne le ou les électrons #### La liaison covalente - Partage d\'électrons entre deux atomes - Se produit lorsque la différence d\'électronégativité entre les deux atomes est petite ### Les états de la matière - Les états de la matière sont (hormis le plasma) : - L'état solide - L'état liquide - L'état gazeux 1. ### Les mélanges et solutions #### La substance pure - Regroupement de particules de même type #### Les mélanges - L'association de plusieurs substances. - Deux types principaux de mélanges : - Les mélanges hétérogènes - Plusieurs constituants visibles - Les mélanges homogènes - Un seul constituant ##### Cas particulier : les colloïdes - Mélange dans lequel les particules en suspension sont si petites que le mélange semble parfaitement homogène. ### Acides et bases #### Acide - Espèce chimique capable de libérer un (ou plusieurs) proton - Acide fort : - Acide qui réagit entièrement avec l'eau - Acide faible : - Acide dont la réaction sur l'eau n'est pas totale #### Base - Espèce chimique capable de capter un (ou plusieurs) proton - Base forte : - Base qui réagit totalement avec l'eau - Base faible : - Base dont la réaction sur l'eau n'est pas totale #### Amphotère - Qui agit à la fois comme un acide et comme une base #### Le pH - Potentiel hydrogène - Mesure de l\'activité chimique des ions hydrogènes H+ en solution - Mesure l'acidité ou la basicité d'une solution. - Une solution de pH = 7 est dite neutre ; - Une solution de pH inférieure à 7 est dite acide - Une solution de pH supérieure à 7 est dite basique 1. ### La dilution - Procédé consistant à obtenir une solution finale de concentration inférieure à celle de départ, soit par ajout de solvant, soit par prélèvement d\'une partie de la solution et en complétant avec du solvant pour garder le même volume. \ [*C*1 \* *V*1 = *C*2 \* *V*2]{.math.display}\ - C1 : Concentration initiale. - V1 : Volume initial. - C2 : Concentration finale. - V2 : Volume final 1. ### Expression d'un paramètre Rapport ------- --------- --------- NO~3~ N-NO~3~ 0.226 NO~2~ N-NO~2~ 0.304 NH~4~ N-NH~4~ 0.778 PO~4~ P-PO~4~ 0.326 Exemple : part de n dans NO~3~ = N/ NO~3~= (14/62) =0.226 ### Préparation des échantillons pour l'analyse - Dépend de l\'analyse à entreprendre #### Agitation - Avant toute opération, l\'échantillon doit être agité énergiquement #### Homogénéisation - Consiste à rendre l\'échantillon le plus homogène possible - L\'avantage principal de l\'homogénéisation est de faciliter la prise représentative pour l\'analyse #### Filtration - Étape obligatoire avant toute analyse spectrophotométrique ou chromatographique - Est considéré comme dissous tout ce qui est inférieur à 0.45 μm. - Peut se faire sous vide ou sous pression. - Pour les échantillons chargés, et pour éviter un rapide colmatage de la membrane, l\'emploi d\'un préfiltre (fibre de verre) est recommandé. - Les filtres peuvent contaminer l\'échantillon. Il faut les laver avant toute filtration - S'effectue de deux manières : - Faire passer 100-200 ml d\'eau dé-ionisée à travers le filtre, - Laisser tremper 2 heures dans l\'eau dé-ionisée. - Le séchage des filtres avant le tarage et après la filtration se fait à 105°C. #### Préparation des échantillons pour l'analyse - Les échantillons ne se conservant pas bien, les analyses doivent être effectuées si possible le jour même du prélèvement. - Les échantillons doivent être conservés au froid (4°C) ou congelés pour une plus longue période. - Les filtrats se conservent mieux que les échantillons bruts 1. ### Spectrophotométrie - Méthode analytique quantitative qui consiste à mesurer l\'absorbance ou la densité optique d\'une substance chimique donnée - Plus l\'échantillon est concentré, plus il absorbe la lumière 1. Microscopie ----------- - La caractérisation par microscopie de la microfaune nous aidera à diagnostiquer certains dysfonctionnements très tôt. 1. #### Les protozoaires - Eucaryotes qui présentent un noyau. - Constitués que d'une seule cellule #### Les métazoaires - Représentent tous les animaux pluricellulaires - Leurs cellules sont spécialisées pour réaliser différentes fonctions ### Ecologie des boues activées #### La chaîne alimentaire - Observation microscopique nous allons donc chercher à caractériser la faune qui se développe au - Dépend des bactéries #### Les niches écologiques - On distingue 3 niches écologiques principales : - Les flocs - La surface des flocs - Le liquide interstitiel - Chacune de ces niches présente une faune spécifique qui s'est adaptée à ces types de milieux. #### Relation entre microfaune et âge des boues Selon l'âge des boues activées, on assistera au développement d'une niche écologique aux dépens des autres. Par conséquent, la composition de la microfaune dépendra étroitement de l'âge des boues. - Faible âge de boue : Avec une pollution importante → développement de bactérie libre. - Age de boues moyen : Quantité de nourriture limitée, les bactéries capables de former des réserves deviennent plus compétitives que les bactéries libres → floculation des boues activées. - Age de boue élevé : Sans ajout de matière organique (pollution), les bactéries floculantes vont puiser dans leur réserve d'exopolymères induisant ainsi une destruction du floc (défloculation). Puisqu'elles ne se renouvellent plus et qu'elles sont l'objet d'une prédation intense, les populations de bactéries libres et floculantes vont décroître. Si la quantité de nourriture reste faible, nous observerons l'apparition de bactéries filamenteuses qui sont plus compétitives dans ces conditions, puisqu'elles possèdent une plus grande surface d'absorption. ### Microfaune des cultures fixées #### Développement du biofilm Le processus de cultures fixées repose sur la capacité des microorganismes des se développer sur des surfaces. La microfaune tend à s'attacher à des supports solides pour les raisons suivantes : - La disponibilité du substrat - La protection que ces supports représentent, notamment, contre les courants à forte vitesse. - L'interaction de forces physiques, telles l'attraction, l'absorption et l'adhésion. En 20 à 30 minutes environ, sous des conditions environnementales optimales. Les microorganismes adsorbés croissent, se reproduisent et produisent les substances polymériques extracellulaires formant ainsi une matrice gélatineuse, appelée « biofilm ». ### Organismes typiques rencontrés #### Organismes principaux indiquant une bonne qualité d'épuration - Flagellés : - Peranema → Présent dans des boues à faible charge et pour des effluents peu concentrés. - Sarcodines : - Genre Arcella → Cette espèce indique une bonne oxygénation et une nitrification. - Grandes Amibes → Indique une phase transitoire vers une amélioration de l'épuration. - Ciliés : - Chaena teres → Indique un fonctionnement stable avec un bon traitement du carbone et une nitrification. - Coleps hirtus → Indique une oxygénation suffisante, un bon traitement du carbone et une nitrification. - Didinium nasutum → Indique une nitrification importante. - Vorticelles à pédoncule long → Elles indiquent un traitement correct. - Vorticelles à pédoncule court → On les trouve dans des boues présentant des eaux interstitielles de bonne qualité. - Rotifères → Leur présence dans les boues activées indique un bon traitement du carbone, ainsi qu'une bonne nitrification. - Nématodes → Ils sont souvent observés dans les lits bactériens, lorsque la biomasse est importante, potentiellement anoxique, avec une faible perméabilité en oxygène. Leur présence permet à l'oxygène d'atteindre les zones anoxiques, à l'intérieur des masses bactériennes. #### Organismes principaux indiquant un problème d'épuration - Flagellés : - Genre Bodo → Sa présence indique un mauvais rendement d'épuration. Ce petit zooflagellé supporte très bien un important manque d'oxygène. Son développement peut donc être corrélé à la présence de boues fermentées ou à une surcharge polluante. L'effluent montre alors une turbidité importante, ainsi qu''une importante quantité de matière organique résiduelle. - Sarcodines : - Genre Chlamydophrys → Sa présence est corrélée à un médiocre rendement en DCO. - Petites Amibes → On les rencontre lors de problème de fonctionnement ou lors d'effluent montrant des variations de pH, voir des apports de toxiques. - Ciliés : - Trachelophylum → La présence de cette espèce révèle une instabilité du système, telle une surcharge. Son fort développement indique une épuration médiocre. - Genre Litonotus → Cet organisme se développe lors d'une phase transitoire du système. - Vorticella fromentali → Leur présence révèle une aération suffisante, mais un traitement moyen à médiocre. - Vorticella microstoma → Sa présence est caractéristique d'une eau interstitielle chargée en bactéries libres. Cette espèce supporte une faible quantité d'oxygène. - Métazoaires → Dans les systèmes à cultures fixées, leur présence indique des lavages trop rares conduisant à l'accumulation d'une biomasse d'âge trop élevée. - Les bactéries filamenteuses → Ces bactéries épurent l'eau usée aussi bien que les espèces floculantes. Leur inconvénient majeur pour les installations à boues activées est qu'elles ne décantent pas, provoquant ainsi ce qu'on appelle le foisonnement des boues. - Leur développement est favorisé par : - Une carence en azote ou en phosphore (proportion C/N/P différente de 100/5/1). - Excès de carbone facilement assimilable (sucres, alcool, graisses, huiles). - Carence en oxygène dissout. - Charge massique trop faible (ou plus rarement trop élevée). - Influence négative de la décantation primaire par un apport de MS. - Une eau usée qui a séjourné longtemps dans le réseau ou qui est fermentescible (concentration importante en soufre réduit). - Correction de certains paramètres pour les faire disparaître : - Pour les filaments dont le développement dépend de la Cm. Il suffira de régler le soutirage des boues en excès, afin d'obtenir une Cm défavorable aux espèces que l'on souhaite contenir. - Augmenter l'apport en oxygène, en cas de carence. - Agir sur le rapport C/N/P en ajoutant une source de carbone (par ex. mélasse), d'azote (urée) ou de phosphore, si on observe un type de bactéries qui apparait lors d'un déséquilibre en nutriments. - Corriger le pH. - Lestage des boues (ajout de boues I dans boues activées), reprise et traitements séparé des flottants persistants.