5. Méthodes de prélèvement et d’analyse des micropolluants
5.1. Description des outils et méthodes spécifiques aux prélèvements d’échantillons en STEP 68
5.1.1. Chaine de prélèvement
La chaîne de prélèvement a été particulièrement réfléchie de façon à se prémunir des contaminations possibles des échantillons (Figure B-6). Cette étape est un pré-requis dès lors que l’on travaille sur les micropolluants. Le matériel spécifique acquis lors du projet AMPERES a été utilisé lors de ce travail de thèse pour les campagnes à l’échelle de la STEP (Choubert et al., 2009). Pour les prélèvements en réacteurs fermés, des ajustements ont été réalisés pour affiner la méthodologie à l’échelle du pilote.
B. Matériel et méthodes
La chaîne de prélèvement des échantillons d’eaux usées sur la STEP comprend 2 préleveurs automatiques réfrigérés (Bülher 5010 ; chaque appareil est dédié au point de prélèvement entrée/sortie) équipés de tuyaux en téflon et de 24 flacons en verre. Les échantillons d’eaux ont été collectés de manière à constituer 24 échantillons horaires issus de 10 prélèvements individuels de 180 mL prélevés toutes les 6 min. Les échantillons moyens 24h (ou 6h) étaient ensuite reconstitués manuellement proportionnellement au débit dans des bonbonnes de 34 L en verre. Les échantillons moyens sont ensuite homogénéisés mécaniquement, puis répartis, à l’aide d’une pompe péristaltique (Masterflex, 2 L/min), dans des flacons propres fournis par chaque laboratoire d’analyse (Cf. B.5.3.). Au total, 5 L d’eaux usées par échantillon étaient nécessaires pour l’ensemble des analyses (Cf. Annexe VI pour la répartition suivant chaque laboratoire). Les échantillons étaient ensuite mis dans des glacières (T = 4 ± 2 °C) pour envoi immédiat aux laboratoires qui les recevaient sous 24h.
Tout le matériel utilisé était préalablement nettoyé à l’aide d’une procédure utilisant du détergent alcalin, du neutralisant (eau acidifiée), de l’acétone ultrapure, puis un rinçage avec de l’échantillon. Cette procédure suit les recommandations AQUAREF (Eymery et al., 2012).
(a) (b)
(c) (d)
Figure B-6 : Photos des éléments de la chaine de prélèvement/conditionnement des échantillons lors des campagnes à l’échelle STEP : (a) tuyauterie téflon et préleveur réfrigéré; (b) 24 flacons verre de 2L pour échantillons horaires ; (c) bonbonne de 34 L en verre avec l’échantillon moyen reconstitué et flacons pour les laboratoires ; (d) glacière en phase de préparation pour l’envoi des échantillons vers un des laboratoires.
Nous avons prélevé les échantillons de boues du bassin à l’aide de flacons en verre (2 L) et d’une bonbonne en verre de 34 L. Les boues ont été placées sous agitation mécanique puis
B. Matériel et méthodes
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réparties dans 3 flacons en plastique de 2L avant envoi au laboratoire Irstea. Au total, 6 L de boues par échantillon étaient nécessaires pour l’ensemble des laboratoires d’analyse. Les échantillons étaient centrifugés dès réception (centrifugeuse JOUAN GR 422, durant 20 min à 3000 rpm) au laboratoire Irstea. Le centrifugat était ensuite lyophilisé (VirTis) puis broyé avec un broyeur à billes en agate (RETSCH PM100, 6 min, 450 rpm). Les échantillons (poudres) obtenus étaient congelés avant envoi de l’ensemble des échantillons de boues aux autres laboratoires d’analyse. Cette méthode est avantageuse car elle a permis de mutualiser les efforts lors de l’étape de préparation de l’échantillon et surtout de fournir des échantillons de boues identiques à chaque laboratoire.
Lors des essais en réacteurs fermés, pour chaque prélèvement, nous avons prélevé 10 L de boues pour la mesure de la phase dissoute et 6 L de boues pour la mesure de la phase particulaire dans une bonbonne en verre de 34 L. Les prélèvements de 10 L étaient ensuite filtrés immédiatement à l’aide de modules de filtration membranaire (détails en B.4.1.2.). La filtration n’était pas réalisée au sein du réacteur de manière à ne pas concentrer la boue dans le réacteru. Les filtrats étaient envoyés en glacières aux laboratoires d’analyse sous 24 h, comme les échantillons d’eaux usées brutes et traitées. Les prélèvements de 6 L de boues étaient acheminés au laboratoire Irstea comme pour les échantillons de boues du bassin d’aération.
Concernant les cuves utilisées pour les réacteurs fermés, une procédure de nettoyage spécifique a été établie : lavage au détergent et neutralisant puis à l’eau déminéralisée. Avant chaque utilisation, les cuves ont été rincées plusieurs fois et laissées en contact plusieurs heures avec la boue activée.
5.1.2. Modules de filtration
Lors des campagnes de mesures en réacteurs fermés (Cf. B.4.3.), un module membranaire a été utilisé pour séparer la phase dissoute de la phase particulaire (Figure B-7). L’outil est un module de filtration membranaire (fibres creuses) utilisé en filtration frontale. La membrane en polysulfone, d’une porosité de 0,1 µm, a une surface de filtration de 0,16 m2 (Polymem).
L’avantage de ce module est qu’il permet de filtrer sur site environ 1 L de boues activées en une dizaine de minutes ; ce qui permet de récupérer rapidement un filtrat exempt de MES et ainsi de stopper la réaction de biodégradation. Le module de filtration était connecté à une pompe à vide (KNFlab, 10 L/min) à l’aide d’un tuyau en téflon connecté à un flacon de 3 L en
B. Matériel et méthodes
verre. Tout le circuit de prélèvement est nettoyé entre chaque échantillon à l’aide de la procédure présentée au paragraphe B.4.1.1.
Figure B-7 : Photographie du montage de filtration sous vide avec module de filtration
Cet outil a déjà été utilisé par les équipes épuration d’Irstea de Bordeaux et Antony pour l’étude de la nitrification au sein même de bassins biologiques à boues activées. Au démarrage de la thèse, nous ne connaissions pas l’impact de cet outil sur les concentrations en micropolluants, en particulier vis-à-vis de l’adsorption ou du relargage éventuel en certains micropolluants. C’est pourquoi, nous avons mené des tests de vérification avant de les utiliser de façon systématique (Cf. Annexe V). De plus, le seuil de coupure du module membranaire est de 0,1 µm. Or les filtres utilisés pour la filtration des échantillons d’eaux usées sont généralement de 0,7 µm de porosité pour la recherche des micropolluants organiques en phase dissoute et de 0,45 µm pour les métaux. Pour déterminer si les résultats sont comparables avec ces 2 seuils de coupure, nous avons effectué des tests en filtrant selon les 2 méthodes les 3 matrices étudiées (eaux usées brutes, eaux usées traitées et boues activées).
Nous avons observé des différences de concentrations entre les 2 méthodes de filtration dans le filtrat seulement pour certains micropolluants organiques très hydrophobes (tous les HAP, les AKP sauf NP1EC, AMITR, FLX, PROP). Les résultats de ces tests préliminaires montrent que la fraction 0,1-0,7 µm est susceptible de retenir ces micropolluants organiques.
Dans le cas des métaux (Al, Fe, Cu, Pb, Zn), les concentrations mesurées après filtration à 0,45 µm se sont avérées inférieures à celles mesurées après filtration à 0,1 µm. Ceci pourrait indiquer une contamination du aux modules de filtration eux-mêmes. Pour éviter tout biais
B. Matériel et méthodes
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méthodologique, nous avons décidé d’analyser les métaux dissous dans les échantillons issus des réacteurs fermés après filtration conventionnelle à 0,45 µm et non pas avec le module de filtration. Concrètement, à chaque prélèvement, 500 mL de boues ont été prélevés pour être centrifugés puis filtrés à 0,45 µm au laboratoire Irstea uniquement pour l’analyse des métaux en phase dissoute.