Les paramètres des eaux usées

DCO, DBO5, MES, Pt, NH4, NO3, NO2, pH, température, alcalinité

Les paramètres des eaux usées

Les paramètres des eaux usées permettent de déterminer le degré de la pollution de l’eau. Par pollution, on entend toute altération des propriétés physiques, chimiques et biologiques de l’eau, que l’on appelle alors eaux usées.  Ces eaux, habituellement créées en raison des activités humaines, doivent être nettoyées après leur utilisation pour empêcher la pollution des lacs, eaux souterraines, rivières et océans. Tous ces polluants sont des produits chimiques ou des matières indésirables qui contaminent l’air, le sol et l’eau.

Chaque jour, dans toutes les usines de traitement des eaux usées, des milliers de personnes effectuent des analyses sur les paramètres des eaux usées. Ceux ci sont des indicateurs de la pollution de l’eau et permettent notamment de s’assurer de la conformité des eaux usées aux normes locales.

Les paramètres à analyser dans les eaux usées

Les objectifs recherchés par l’analyse des eaux

L’analyse des paramètres des eaux usées permet de vérifier que les objectifs recherchés par le traitement de l’eau sont atteins :

  • Recycler et récupérer les éléments valorisables des eaux usées
  • Protéger la santé écologique du milieu récepteur
  • Protéger la santé publique des populations qui entrent en contact avec les effluents

L’analyse des eaux usées permet, entre autres :

  • de concevoir et dimensionner des stations d’épurations des eaux usées (STEP) appropriées pour respecter les normes de rejet
  • De surveiller et d’évaluer l’efficacité des procédés de traitement dans les STEP
  • D’étudier et de concevoir des installations pour la réutilisation des eaux usées traitées.
  • D’évaluer l’impact environnemental

Qu’est ce que les eaux usées?

 Le terme « eaux usées «  englobe les eaux pluviales et les eaux qui ont été utilisées à des fins diverses par la population, que ce soit pour un usage aussi bien résidentiel qu’industriel. Ces eaux usées sont constituées essentiellement d’eau et contiennent des éléments qui, en raison de leur concentration, peuvent nuire à l’environnement.

Généralement, il s’agit de l’eau qui a été utilisée pour la lessive, le bain, le lavage de la vaisselle, les toilettes…  De plus, les réseaux d’assainissement collectent aussi les eaux usées industrielles, qui ont des caractéristiques très particulières. Enfin, ces réseaux collectent aussi l’eau de pluie qui s’est chargée en polluants lors de sont ruissellement (mégots de cigarette, plastiques, hydrocarbures…) lorsqu’elle s’écoule dans les océans, les lacs et les rivières.

Quelles sont les caractéristiques des eaux usées?

Les eaux usées sont caractérisées en fonction de leur composition physique, chimique et biologique. Selon le niveau de polluants et les réglementations locales, un traitement physique, chimique et/ou biologique est utilisé. La plupart du temps, les trois traitements sont combinés ensemble pour obtenir la meilleure qualité d’eau. Les caractéristiques des eaux usées varient considérablement d’une industrie à l’autre. Par conséquent, les caractéristiques particulières détermineront les techniques de traitement à utiliser pour satisfaire aux exigences en matière de rejets ou de conformité. En raison du grand nombre de matières polluantes, les caractéristiques des eaux usées ne sont généralement pas prises en compte pour chaque substance en tant que telle. Les matières ayant des effets de pollution similaires sont plutôt regroupées en classes de polluants ou de caractéristiques.

Paramètres biologiques des eaux usées

  • Demande biochimique en oxygène (DBO) – La DBO est la quantité d’oxygène nécessaire pour stabiliser la matière organique au moyen de micro-organismes.
  • Huile et graisse – L’huile et la graisse proviennent de déchets alimentaires et de produits pétroliers.
  • Vie microbienne dans les eaux usées : Les eaux usées contiennent les microbes suivants :
    • Bactéries
    • Protozoaires
    • Champignons
    • Virus
    • Algues
    • Rotifères
    • Nématodes

Paramètres physiques des eaux usées

  • Couleur – Les eaux usées fraîches sont normalement brunes et jaunâtres, mais avec le temps, elles deviennent noires.
  • matières en suspension : ce sont des matières solides insolubles en suspension dans un liquide et visibles à l’œil nu
  • Température – Pour les eaux résiduaires, elle est corrélée à la température extérieure tout en étant plus chaude, car presque personne ne prend de douche froide
  • Turbidité – En raison des matières en suspension, les eaux usées auront une turbidité plus élevée.

Caractéristiques chimiques des eaux usées

Les eaux usées contiennent différents produits chimiques sous diverses formes, comme indiqué ci-dessous.

  • Demande chimique en oxygène (DCO) – La DCO est une mesure de la quantité de matières organiques dans les eaux usées en fonction de l’oxygène nécessaire pour oxyder les matières organiques.
  • Azote – Il est mesuré sous ses différentes formes : nitrite, nitrate, ammoniac, et azote organique (qui est la quantité d’azote présente dans les composés organiques)
  • Phosphore – mesuré généralement sous sa forme minérale et organique, le phosphore total
  • Chlorures (Cl-)
  • Sulfates (SO4-2)
  • Métaux lourds

Quels sont les paramètres les plus utilisés en station d’épuration ?

En vue de maîtriser les risques environnementaux causés par les eaux usées, une analyse de celles-ci est nécessaire. Il s’agit en effet de déterminer et quantifier les substances et micro-organismes contenus dans ces eaux dans l’optique de trouver les moyens de les supprimer ou de les réduires à un taux acceptable pour permettre leur rejet dans l’environnement. Les paramètres les plus couramment utilisés sont la DBO, la DCO et les MES. Lorsque les milieux récepteurs sont dégradés, il est fréquent d’analyser aussi les paramètres azotés (NGL, NH4, NO3) et le phosphore. Enfin, les analyses sur les micro-organismes sont faites lorsque la zone de rejet se situe près d’une zone de baignade. Les paramètres à analyser sont définis dans les réglementations de chaque pays, et peuvent être ajustés par les autorités locales au cas par cas.

L’oxygène dissous

Pour maintenir la vie dans un milieu aquatique, il est primordial de conserver un niveau suffisant d’oxygène. En effet, ce dernier fait partie de l’un des paramètres nécessaires à la continuité de la vie et de son évolution. Il est indispensable à la photosynthèse et à l’altération des composés organiques. Plus l’eau est exposée à l’air libre, plus elle est brassée, et plus elle est sursaturée en oxygène. Par contre, en présence d’un excès de matières organiques solubles, elle est considérée comme sous-saturée. En effet, ces matières organiques servent de nourriture à de nombreux micro-organismes, qui consomment beaucoup d’oxygène pour se développer et dégrader cette pollution. C’est notamment ce qui explique le manque d’oxygène dans les eaux usées. La température influe aussi sur ce paramètre. Plus il fait froid et plus l’oxygène est soluble dans l’eau.

En pratique, il s’agit de l’analyse la concentration en oxygène dissous. Sa mesure se fait à l’aide d’un oxymètre.

Demande chimique en oxygène DCO

La demande chimique en oxygène (DCO) est une mesure de toutes les substances consommatrices d’oxygène. Il s’agit de celles qui peuvent être éliminées par le traitement des eaux usées, mais aussi celles qui ne se prêtent pas à un traitement biologique. Cette mesure indicative de la quantité d’oxygène qui peut être consommée par un échantillon d’eau est réalisée à l’aide de réactifs oxydants forts tels que le dichromate de potassium. Ce paramètre est exprimé en masse d’oxygène consommé par rapport au volume d’échantillon. En pratique, la mesure de l’oxydation se fait grâce à un test de DCO pour quantifier la quantité de matières oxydables. La quantité de réactif consommé pour l’oxydation des matières organiques présentes, rapportée en mg/l d’oxygène (mgO2/L), correspond à la DCO.

La DCO est utile en termes de qualité de l’eau car elle permet de déterminer l’effet d’un effluent sur le milieu récepteur, tout comme la demande biochimique en oxygène (DBO).

Une attention particulière doit être apportée aux tubes d’analyses contenant les réactifs oxydant. Il s’agit de polluants particulièrement toxiques et doivent être retraités dans une filiale spécialisée.

Demande biochimique en oxygène DBO

La DBO est un paramètre indiquant la quantité d’oxygène indispensable à l’élimination ou l’altération des matières organiques biologiquement dégradable contenue dans les eaux usées. L’échantillon d’eau est placé pendant cinq jours à 20°C, sans lumière et couvert hermétiquement. On parle de DBO5 car l’analyse est réalisée sur 5 jours. Certains pays utilisent d’autres variantes comme la DBO7 ou encore la DBO21, appelée DBO ultime. En pratique la DBO5 est largement utilisée à travers le monde. L’obscurité proscrit le risque de photosynthèse et la température de 20°c favorise la prolifération des micro-organismes friands d’O2. L’étude met en œuvre 2 échantillons :

  • Le premier va servir à connaître la quantité initiale en O2.
  • Le second servira à la mesure du DBO au bout du temps imparti à l’étude.

La dégradation des charges organiques polluantes par les micro-organismes, ou auto-épuration, est consommatrice d’oxygène et c’est cette diminution de l’oxygène dans le milieu qui est mesurée par la DBO5. Tout comme la DCO, la DBO5 est aussi exprimée en mg/l d’oxygène (mgO2/L). Elle permet de déterminer l’impact d’un effluent sur le milieu récepteur. En effet, la DBO5 représente la part des matières organiques biodégradables naturellement, et donc mobilisant l’oxygène des cours d’eau.

Matière en suspension

Les matières en suspension (MES) sont les matières en phase transitoire. C’est-à-dire qu’elles ne sont pas sous forme de colloïdes, et ne sont pas non plus dissoutes. Tout comme leur nom l’indique, il s’agit de particules en suspension dans le liquide. Elles peuvent être filtrées, et elles sont composées de particules organiques et minérales. On utilise couramment le terme MES bien qu’il s’agisse en fait des matières en suspension totale (MEST).

En pratique l’analyse des MES consiste à faire passer au travers d’une membrane filtrante un volume d’échantillon à analyser. Ensuite, cette membrane est placée à l’étuve à 105°C pendant au moins une heure. La différence de poids avant / après filtration permet de déterminer la quantité de matières en suspension. Cette mesure s’exprime en mg/l.

Les MES font partie des paramètres couramment utilisés pour déterminer la qualité d’une eau usée car ils représentent un danger pour le milieu récepteur. Tout d’abord, ces MES viennent colmater les branchies des poissons, ce qui peut les asphyxier. Ensuite, l’oxygène du milieu récepteur est mobilisé pour éliminer la partie organique et MES. Enfin, les MEST limitent la bonne pénétration de la lumière, ce qui limite le phénomène de photosynthèse et donc de production d’O2 pendant la journée, ce qui est plutôt utile l’été quand l’eau du milieu récepteur est chaude et ne peut pas conserver autant d’oxygène dissous qu’en hiver.

Azote total Kjeldhal NTK ou NK

Les eaux usées domestiques contiennent quasi-exclusivement de l’azote organique (Norg) et de l’azote ammoniacal (NH4+). C’est aussi généralement vrai pour les eaux industrielles, bien que l’on observe une grande disparité des valeurs azotées d’entrée d’une entreprise à une autre. L’azote organique est un élément constituant des cellules vivantes (acides aminés, protéines) tandis que l’azote ammoniacal NH4+ provient :

  • des rejets directs des êtres vivants (urines)
  • de la décomposition de l’azote organique par les micro-organismes

Le ratio entre Norg et NH4+ dépend entre autres de la longueur du réseau de collecte. Plus le temps de séjour est prolongé dans les égouts, plus les micro-organismes ont le temps de transformer l’azote organique en NH4+.

Le paramètre azote Kjeldahl NTK correspond à la somme de l’azote ammoniacal et de l’azote organique contenu dans l’eau, et qui s’exprime en mg/L. C’est une analyse compliquée à réaliser, c’est pourquoi ce paramètre est généralement calculé comme suit :

NTK = azote total NGL – nitrites NO2 – nitrates NO3

Pour les eaux usées domestiques, les nitrates et nitrites sont presque inexistants. Ainsi, il est d’usage de ne faire qu’une analyse d’azote total NGL et de considérer que NTK = NGL.

Lorsqu’une concentration élevée en azote Kjeldahl est décelée dans une rivière, cela indique une pollution d’origine humaine. L’azote organique doit être éliminé car il réduit considérablement la concentration en oxygène d’un milieu, c’est pourquoi les normes de rejet sont très souvent strictes concernant ce paramètre,  et encore plus lorsque le milieu récepteur est considéré comme zone sensible.

Pour l’histoire, cette analyse porte le nom du chimiste danois qui a découvert la méthode de dosage en 1883.

L’ammoniac NH3 et l’ammonium NH4+

La dissolution de l’ammoniac NH3 (gazeux) dans l’eau forme le cation ammonium NH4+. La répartition ammonium/ammoniac dépend du pH et de la température du milieu. Dans le domaine de l’eau, on utilise à tort le terme ammoniac pour désigner l’ammonium (NH4+).

L’ammonium NH4+ est le composé azoté le plus largement représenté dans une eau usée domestique. En effet, les animaux (l’homme y compris) piègent dans leur corps l’ammonium qui se forme en le transformant en urée. Une fois rejetée, cette urée se redécompose en NH4+ dans les réseaux d’égouts grâce à l’action de micro-organismes notamment. C’est l’apport principal de l’ammonium dans les eaux usées domestiques, environ 80% du NH4+.

En pratique, la mesure de l’ammonium se fait généralement grâce à un test de NH4+ avec un spectrophotomètre. La couleur indique la concentration, rapportée en mg/l  d’azote (mgN/L). Il faut filtrer les échantillons avant l’analyse car les MES perturbent la coloration. Cependant, l’expérience montre que, pour les eaux usées municipales, la différence avec et sans filtration n’est pas significative. Ces tubes d’analyses, bien que moins dangereux pour l’environnement, doivent aussi être recyclés dans une filière spécialisée.

Tout comme le NTK, le NH4+ est un bon indicateur chimique de pollution directe d’une eau de rivière. Il peut s’agir d’un rejet d’eaux usées directement dans le milieu naturel (issus des déversoirs d’orages majoritairement) mais aussi d’une pollution liée au ruissellement de déjections d’animaux épandus sur les champs.

Le NH4+ est dangereux pour la faune aquatique car il participe à l’abaissement de la concentration en oxygène, notamment à cause de la prolifération bactérienne qu’il favorise. De plus, le NH4+ devient  toxique lorsque le pH est supérieur à 8 car il se retransforme en NH3 gazeux qui reste dissous dans l’eau.

En aquaponie, aquaculture ou pisciculture, ce paramètre est très suivi avec le pH. En effet, une concentration faible de NH3, même de l’ordre de  1 mg /l peut entrainer des mortalités. Les alevins sont extrêmement sensibles, et la qualité de leurs eaux doit être très contrôlée. Les truites sont aussi assez sensibles à l’NH3, la CL50 96 (concentration Létale médiane sur 96 heures qui exprime la toxicité aiguë sur le poisson – mortalité de 50% des truites) n’est que de 0,4mg/l. Alors imaginez des alevins de truite !

Nitrites NO2 et nitrates N03

Dans le cycle de l’azote, l’ammonium est transformé en nitrites NO2, puis en nitrates. Les nitrites sont des composés instables qui ne restent pas longtemps sous cette forme. Dans les analyses de routine des stations d’épurations, les nitrites ne représentent qu’une partie infime de la fraction azotée, même après une étape de nitrification. C’est pourquoi ne sont généralement pas mesurés. Par contre, les nitrates NO3- sont plus stables et sont la forme finale de l’oxydation. En conséquence, ils sont donc utilisés pour déterminer la fraction oxydée de la pollution azotée.

Tout comme pour le NH4+, les nitrites et les nitrates sont généralement analysés dans des tubes par colorimétrie à l’aide d’un spectrophotomètre, et leur concentration est aussi exprimée en mgN/L. Il faut aussi filtrer les échantillons et les tubes NO3 et NO2 doivent aussi être recyclés dans une filière spécialisée.

Nitrites et nitrates se retrouvent naturellement dans le milieu naturel. Les nitrites sont présents en quantité infime. Par contre il est fréquent de retrouver des nitrates. Ils proviennent :

  • Des rejets agricoles (engrais)
  • Des rejets domestiques et industriels. Il faut savoir que les normes de rejets sur les paramètres NO2 et NO3 sont rares. De ce fait, la majeure partie des stations d’épurations ne sont pas dotés d’une étape de dénitrification permettant d’éliminer les nitrates en azote gazeux N2.
  • Du milieu naturel pour quelques mg/L : cette faible concentration est optimale pour conserver un équilibre entre la faune et la flore aquatique.

Les nitrites sont formés lors de l’oxydation de l’ammonium (dans un bassin d’aération par exemple, lors du processus de nitrification). Ils sont très toxiques pour la faune aquatique car ils perturbent la fixation de l’oxygène, surtout lorsque le pH est inférieur à 7, et provoque rapidement l’asphyxie des poissons. Les nitrites peuvent aussi poser des problèmes de santé publique s’ils sont présent dans l’eau du robinet (maladie bleue du nourrisson) mais heureusement les réseaux d’eau potable sont très contrôlés et en plus, il est improbable qu’une concentration suffisamment importante de NO2 puisque se former dans les réseaux AEP. Pour relativiser, gardez à l’esprit que les nitrites sont largement utilisés en charcuterie pour la conservation.

En aquaponie, aquaculture ou pisciculture, ce paramètre est très suivi en corrélation avec le pH. Des concentrations en NO2 inférieures à 1 mg/l peuvent engendrer du stress et des mortalités piscicoles. Pour ces raisons, on peut se dire qu’idéalement, la concentration en NO2 ne devrait pas dépasser 1 mg/l dans les rejets de stations d’épurations. On peut cependant s’interroger sur la pertinence de cette valeur vu la concentration de poissons sauvages à l’exutoire d’une station d’épuration,  sachant qu’en moyenne la concentration en nitrites est par exemple proche des 2 mg/L pour des traitement à faible temps de séjour comme les biofiltres. D’un point de vue réglementaire, il est extrêmement rare d’avoir une norme de rejet sur les nitrites. Dans la pratique, il est presque impossible pour un exploitant de pouvoir influencer ce paramètre.

Les nitrates N03-, en revanche, ne constituent aucun danger. Hors, s’ils sont trop nombreux, ils provoquent l’eutrophisation du milieu (prolifération d’algues dans l’eau).

En aquaculture ou pisciculture, le paramètre nitrate n’est pas si important (sauf en aquaponie pour les plantes). En effet les nitrates sont très peu toxiques pour les poissons adultes. Attention toutefois aux alevins, qui peuvent suber des mortalités variables en fonction des espèces, parfois dès 20 mg/L.

Azote total NGL

L’azote total NGL permet de mesurer la pollution totale azotée d’un effluent. Contrairement au NTK, cette analyse est simple à réaliser grâce à des tubes par colorimétrie à l’aide d’un spectrophotomètre, et leur concentration est aussi exprimée en mgN/L.

Le NGL, c’est la somme de toutes les formes d’azote différentes contenues dans un échantillon, c’est-à-dire l’azote Total Kjeldhal (NTK) et de l’azote oxydé (nitrite + nitrate).

NGL = NTK + NO2 + NO3

Phosphore total PT

Le phosphore est indispensable au développement de tous les organismes vivants. Il est présent naturellement dans les cours d’eau. Il l’est aussi dans les eaux usées industrielles et domestiques dans des proportions bien plus élevées. Le phosphore total Pt est composé :

  • de phosphore organique issu de la décomposition de la matière vivante,
  • de phosphates PO4, la partie minéralisée (essentiellement sous forme d’ions orthophosphates). Les eaux usées sont presque entièrement sous forme de phosphates PO4.

Comme pour la DCO et les paramètres azotés, le Pt est analysé avec des tubes par colorimétrie à l’aide d’un spectrophotomètre, et sa concentration est exprimée en mgP/L.

Les phosphates sont essentiels pour les plantes et les animaux, cependant le Pt participe à la pollution de l’eau en favorisant la croissance excessive d’algues, en particulier dans les masses d’eaux faiblement agités. En effet, le Pt est un composant essentiel des engrais, le fameux NPK. Alors imaginez une eau polluée en phosphore et en NO3 ! La combinaison parfaite pour une rapide eutrophisation ! Certains lacs relativement clairs au printemps peuvent ressembler à une soupe verte à la fin de l’été. Le pire, c’est qu’en permettant aux algues de croître si abondamment, elles meurent par manque de lumière et leur décomposition mobilise l’oxygène dissous de l’eau. Ainsi, les espèces aquatiques meurent d’asphyxie. Cela explique pourquoi le phosphore est réglementé. La réglementation ne concerne que le paramètre Pt, car il englobe les PO4.

Une grande partie du phosphore qui se retrouve dans les eaux usées à pour origine l’activité humaine. L’origine de l’excès de phosphore dans l’eau est variée, mais en moyenne on peut dire que :

  • 2 / 3 de la pollution phosphorée provient des activités agricoles, notamment à cause du ruissellement des terres cultivées et des pâturages dans les eaux. L’effet est d’autant plus significatif quand les terres ont été amendées en engrais ou après épandage.
  • Le dernier tiers provient des rejets des stations d’épurations municipales et industrielles.
  • Une toute petite partie de cette pollution phosphorée est aussi due au ruissellement urbain (les eaux pluviales) et les rejets diffus des installations d’assainissement non collectif (ANC).

L’urine représente environ 60 % des phosphates contenus dans les eaux usées domestiques. Les boissons gazeuses constituent  généralement l première source de phosphates. Certains produits d’usage courant comme les lessives ménagères contiennent des polyphosphates, mais il faut reconnaitre que les industriels ont fait de gros efforts pour réduire les teneurs en phosphore. Ce n’est pas le cas des lessives industrielles, qui bénéficient souvent d’une absence de réglementation concernant la teneur en PO4. En Europe, la concentration en Pt dans les eaux usées ne cesse de baisser depuis plusieurs années.

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