Paramètres en station d'épuration

L’épuration des eaux usées se déroule en plusieurs étapes au sein d’une station d’épuration. Les paramètres les plus couramment utilisés dans les stations d’épurations sont la DBO, la DCO et les MES. Lorsqu’on dégrade les milieux récepteurs, il est fréquent d’analyser les paramètres azotés (NGL, NH4, NO3) et le phosphore.

En vue de maîtriser les risques environnementaux causés par les eaux usées, une analyse est nécessaire. Il s’agit en effet de déterminer et quantifier les substances et micro-organismes contenus dans ces eaux. Ceux-ci dans l’optique de :

  • trouver les moyens de les supprimer
  • les réduire à un taux acceptable pour permettre leur rejet dans l’environnement.

On réalise les analyses des micro-organismes 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.

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 on expose l’eau 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. Ces micro-organismes 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
  • celles qui ne se prêtent pas à un traitement biologique.

On réalise cette mesure de la quantité d’oxygène consommée par un échantillon d’eau avec des réactifs oxydants forts. On peut prendre le dichromate de potassium par exemple pour cette mesure. Ce paramètre s’exprimé en masse d’oxygène consommé par rapport au volume d’échantillon. Pratiquement, la mesure de l’oxydation se fait par 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 mgO2/L, correspond à la DCO.

Dans une station d’épuration des eaux usées, la DCO est un paramètre essentiel pour évaluer la qualité de l’eau. Elle permet de :

  • déterminer l’effet d’un effluent sur le milieu récepteur
  • determiner 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.

Cependant, on utilise surtout la DBO5  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. C’’est cette diminution de l’oxygène dans le milieu qu’on mesure 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 dans les stations d’épuration. C’est-à-dire qu’elles ne sont pas sous forme de colloïdes ou dissoutes. Comme leur nom l’indique, il s’agit de particules en suspension dans le liquide. Elles peuvent être filtrées et 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).

L’analyse des MES consiste à faire passer au travers d’une membrane filtrante un volume d’échantillon à analyser. On placera ensuite cette membrane dans une 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 pénétration de la lumière, limitant ainsi la photosynthèse et la production d’O2 en journée. Ce phénomène s’avère en été quand l’eau du milieu récepteur est chaude et ne peut pas conserver autant d’oxygène dissous qu’en hiver. 

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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 généralement le cas des 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 organique contenu dans l’eau exprimé en mg/L. C’est une analyse compliquée à réaliser, c’est pourquoi on le calcule généralement 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’on décèle une concentration élevée en azote Kjeldahl 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+

L’ammoniac NH3

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. Effectivement, 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.

L’ammonium NH4

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 effectuées en station d’épuration des eaux usées, les nitrites représentent une fraction infime de l’azote total, même après la 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.

Dans une station d’épuration des eaux usées, on retrouve naturellement des nitrites et des nitrates dans le milieu naturel. Les nitrites sont présents en quantité infime, tandis que les nitrates sont plus fréquents et 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.

Composition du nitrites NO2 et nitrates N03

Nitrites NO2

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 cela, on peut dire que la concentration en NO2 ne devrait pas dépasser 1 mg/l dans les rejets de stations. On s’interroge sur la pertinence de cette valeur vu la concentration de poissons sauvages à l’exutoire d’une station, sachant qu’en moyenne la concentration en nitrites est proche des 2 mg/L pour des traitement à faible temps de séjour comme les bio filtres.

Nitrates NO3

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

Origine du phosphore

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.

Utilisation du phosphore

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.

Station d'épuration des eaux usées

Dans une station d’épuration, les paramètres des eaux usées, comme la DBO, la DCO, les matières en suspension (MES) ou encore le pH, sont essentiels pour piloter les différents processus de traitement. Ces indicateurs permettent de surveiller en temps réel la charge polluante des effluents et d’ajuster les étapes clés, comme l’aération dans les bassins biologiques ou la décantation. Par exemple, une DBO élevée indique une forte concentration de matières organiques, nécessitant un apport d’oxygène suffisant pour optimiser l’activité microbienne. De même, le suivi des MES est crucial pour évaluer l’efficacité de la séparation des solides. En combinant ces analyses à des technologies modernes de contrôle, les stations d’épuration garantissent un traitement efficace et respectueux des normes environnementales, tout en adaptant leurs opérations aux variations des flux et des charges des effluents.

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