Matériels et méthodes

1. Les stations d’épuration

L’étude menée durant ce stage s’est intéressée à l’analyse et au devenir des eaux provenant des stations d’épuration (STEP).

Les STEP traitent les eaux domestiques et industrielles. La CUB possède 6 stations d’épuration, mais seules les deux plus grandes ont été étudiées durant le stage : Clos de Hilde (CH) et Louis Fargue (LF). Environ 78% de la capacité du réseau de la CUB est assurée par ces deux stations.

Seule la filière « traitement des eaux » nous intéresse car c’est elle qui a une influence directe sur le milieu naturel. Dans un souci de concision, seuls les résultats concernant la STEP de Clos de Hilde seront présentés ici. Les eaux transitant à Clos de Hilde subissent un prétraitement, un traitement primaire physico-chimique et un traitement secondaire biologique par biofiltration. Une description plus détaillée de cette station d’épuration est disponible en annexe 3.

Différents types de prélèvements ont été réalisés dans les STEP : des échantillons bilans, moyennés sur 24h à partir de préleveurs automatiques présents en différents points. Ils vont servir à préciser la qualité physico-chimique des eaux sur une journée ; des échantillons instantanés, prélevés à un instant « t » dans la station et représentatifs de l’état de la station à cet instant.

Nous distinguerons ainsi différents types d’échantillons à Clos de Hilde : des échantillons d’eaux brutes (CHEB) et des échantillons d’eaux traitées (CHET).

2. Méthodes analytiques

Sur l’ensemble des échantillons prélevés, les principaux paramètres étudiés sont les MES, le COP, le COD, l’oxygène dissous et les sels nutritifs (N, P). Parmi les sels nutritifs, nous trouvons les ions ammonium (NH4+), nitrites (NO2-), nitrates (NO3-) et phosphates (PO43-).

Les principes simplifiés de l’ensemble des méthodes utilisées sont décrits dans le Tableau 1 ci-après. Une description plus détaillée de chaque méthode est disponible en annexe 4.

3. Expérimentations

a. Effet du bouchon vaseux sur la dégradation du matériel organique des eaux de

STEP : Méthode par incubation

Le bouchon vaseux est le siège de processus hétérotrophiques qui sont à la base de la dégradation de la matière organique contenue dans les eaux. Ici, nous allons étudier le rôle « accélérateur » ou « inhibiteur » du bouchon vaseux. Pour cela, nous avons suivi la dégradabilité de la matière organique des effluents en présence de particules du bouchon vaseux, via des incubations. Ces incubations sont réalisées selon un protocole proche de celui utilisé par Servais et al. (1999). L’incubation des échantillons est faite à 20 ± 2°C, à l’obscurité et pendant 30 jours. Des conditions d’aérobiose sont maintenues durant l’incubation par bullage d’air et une agitation continue. Le COD et le COP sont dosés en début et en fin d’incubation ; les valeurs obtenues en fin d’incubation représentent les fractions réfractaires respectivement du COD et du COP, les fractions biodégradables sont obtenues par différence entre les valeurs initiales et finales du COD et du COP.

Pour chacune des expériences, l’effluent est mélangé avec des particules du bouchon vaseux dans différentes proportions massiques, afin de reproduire les périodes spécifiques d’étiage : périodes où les arrivées d’eaux fluviales sont faibles (moindre dilution des effluents) et où le bouchon vaseux est présent. J’ai ainsi participé aux prélèvements d’eau de la Garonne et d’eaux de STEP, qui ont été réalisés avant chaque lancement d’incubation.

Par ailleurs, ces expériences dépendent de la turbidité des eaux de la Garonne. En effet, nous prélevons une grande quantité d’eau (40L), que nous laissons décanter afin de récupérer le maximum de particules

8

Tableau 1: Tableau récapitulatif des méthodes d'analyse utilisées

Analytes Modes d’analyse _{bibliographiques} Références Méthode de conservation de l’échantillon

%

d’erreur Principe simplifié

Matières En Suspension (MES)

Coynel et al., 2002

Echantillon conservé à 6°C 3-5% Filtration sur filtre GF/F 0.45µm Carbone Organique

Particulaire

Analyseur LECO © Coynel et al., 2002 Filtre séché à l’étuve à 50°C

3-5%

Analyse par spectrophotométrie Infra-Rouge. Utilisation du LECO© Carbone Organique

Dissous

Analyseur SHIMADZU © Coynel et al., 2002 Echantillon acidifié (HCl) et conservé à 6°C

2%

Analyse par spectroscopie Infra-Rouge. Utilisation du SHIMADZU© Phosphates Spectrophotométrie Murphy et Riley, 1962 Echantillon acidifié (HNO3)

et conservé à 6°C

< 5% Formation d’un composé coloré bleu en milieu acide. Mesure de

Ammonium-Basse concentration (~20 µmol/L) Spectrophotométrie Koroleff, 1969 Grasshof et Johannsen, 1972 Echantillon congelé à -20°C < 5%

Formation d’un composé de couleur bleu d’indo-phénol. Mesure de l’absorbance proportionnelle à la concentration à = 630 nm.

Ammonium-Haute concentration (~200 µmol/L)

Conductimétrie par injection en flux continu

Hall, Aller, 1992

Echantillon congelé à -20°C

8% Transformation en ammoniac gazeux, puis diffusion à travers une membrane perméable au gaz. Re-transformation en ions dissous induisant une diminution de la conductivité. Diminution proportionnelle à la concentration.

Nitrites Spectrophotométrie Strickland et Parsons,

1972 Echantillon congelé à -20°C

< 5% Formation d’un composé coloré rose en milieu acide. Mesure de

Nitrates Spectrophotométrie par Injection en Flux Continu

Wood, 1967

Anderson, 1979 Echantillon congelé à -20°C

< 10% Réduction des nitrates en nitrites par une colonne de cadmium dopée au cuivre. Dosage de la somme des nitrites issus de la transformation des nitrates. Principe de dosage identique à celui des nitrites. Dioxygène- Faible

précision

Sonde à oxygène Commarieu, 2007 Echantillon conservé sous

agitation

10 %

Analyse par la sonde à oxygène ISO 5000 Dioxygène- haute

précision

Méthode Winkler Abril, 2008 Echantillon conservé sous

agitation

< 5%

9 avec un minimum d’eau, pour limiter l’effet de dilution. Afin d’avoir des conditions proches de celles observées en période estivale dans le milieu naturel (fortes turbidités), la concentration finale des échantillons de chaque incubation a été fixée à 1 et 3g/L.

Jusqu’à ce jour, et en raison des conditions météorologiques, seules 2 séries d’incubation ont pu être étudiées (mélanges eaux brutes et eaux traitées) entre Mars et Avril. En effet, à cette période, les conditions hydrologiques (débits < 200 m3/s) étaient particulièrement favorables à la remontée du bouchon vaseux autour de Bordeaux, avec des concentrations en MES de l’ordre de 6g/L. Or, depuis fin Avril, les épisodes pluvieux prolongés ont fait augmenter les débits fluviaux (Q > 1000 m3/s en moyenne) provoquant l’expulsion du BV en dehors de l’estuaire. Actuellement, les concentrations en MES dans l’eau de la Garonne sont aux alentours de 500 mg/L. Etant donné que le volume d’eau à prélever est important, même lorsque les conditions sont favorables (eaux chargées en particules), d’un point de vue technique et pratique, aucune autre expérience n’a pu être lancée depuis ces évènements pluvieux. Afin de déterminer les paramètres physico-chimiques, des prélèvements sont réalisés le 1er jour (T0), puis à T+2j, T+5j, T+8j, T+15j et T+30j.

Afin de visualiser l’impact du bouchon vaseux sur la dégradation de la matière organique contenue dans les effluents, nous avons réalisé des incubations sur les eaux brutes et les eaux traitées de Clos de Hilde. Les schémas des deux expérimentations sont représentés dans la Figure 4 ci-dessous. Pour plus de clarté sur les schémas, les eaux brutes seront notées EB, les eaux traitées ET et le bouchon vaseux BV. De plus, EB, ET et BV seuls servent de témoin tout au long de l’expérience.

Figure 4: Schémas des incubations sur les mélanges effluents/BV

b. Effet du bouchon vaseux sur l’oxygénation des eaux : Mesure de la respiration L’objectif est d’évaluer la cinétique de consommation de l’oxygène dissous dans un mélange effluents/eaux de la Garonne. Pour cela, j’ai réalisé des mélanges effluents/eaux de Garonne en proportion volumique, puis dosé l’oxygène, soit par sonde, soit par la méthode Winkler à des temps précis.

1ère expérimentation

Dans un premier temps, nous avons voulu comparer les cinétiques de consommation de l’oxygène dissous par respiration, dans les eaux de la Garonne (prélèvement à Bordeaux) et de la Dordogne (prélèvement à Libourne). Le but étant de vérifier si la respiration est plus importante dans des eaux situées à proximité d’un grand centre urbain tel que Bordeaux. Compte-tenu de la marée, les eaux de la Garonne ont été prélevées à basse mer et à pleine mer sur la Dordogne. De retour au laboratoire, un aliquote de chaque échantillon est filtré à 0.45 µm pour calculer la concentration en MES. Les échantillons non filtrés sont ensuite mis à buller toute la nuit à température constante (bain thermostaté à 20°C). Les échantillons sont ensuite transvasés dans des bouteilles DBO de 60 mL à col

10 rodé. Ces dernières sont introduites dans des contenants remplis d’eau, afin d’empêcher tout échange d’oxygène entre l’air et l’eau. Ces derniers sont disposés sur un agitateur à rouleaux afin de garder les particules en suspension durant la durée l’opération. Pour des eaux de rivières, compte-tenu d’une faible consommation d’oxygène avec le temps, les concentrations en oxygène dissous ont été mesurées par méthode chimique (Winkler), plus adaptée et plus précise que la sonde, aux temps 0, 24h et 48h.

2ème expérimentation

Afin d’évaluer l’impact des rejets d’effluents sur l’oxygénation de la Garonne, nous avons réalisé des mélanges volumiques effluent-bouchon vaseux, le but étant de mesurer l’impact de ces rejets dans des conditions normales de dilution et dans des conditions d’étiage. Nous voulons vérifier que plus la concentration en bouchon vaseux est importante, plus la matière organique est dégradée et donc la consommation d’oxygène est importante.

Pour cela, les mélanges volumiques réalisés sont les suivants (Tableau 2):

Tableau 2: Mélange eau traitée/bouchon vaseux réalisés lors de la 2ème expérimentation de respiration

BV 0% 50% 75% 90% 100%

Effluent 100% 50% 25% 10% 0%

Méthode

d’analyse Sonde Sonde Sonde

Winkler + Sonde Winkler Durée d’expérimentation 6h 6h 6h 24h 36h Nombre d’analyses 4 3 3 Winkler : 3 Sonde : 5 3 Nombre de réplicas 3 3 3 3 4

Au total, 4L d’eau de la Garonne et 4L d’eau traitée de la STEP de Clos de Hilde sont mis à buller pendant toute une nuit, pour saturer l’échantillon en oxygène (teneurs comprises entre 85 - 100%). La teneur en MES est déterminée pour chacun des échantillons. En ce qui concerne l’effluent, la préparation d’échantillons est identique à celle de l’eau de la Garonne dans la 1ère expérimentation.

Le mélange 90 % BV/10% effluent est analysé par les deux méthodes, car nous ne savions pas si la sonde serait une méthode de mesure assez précise pour cette gamme de concentration. L’utilisation des deux méthodes permettra de faire un comparatif.

11