ecologie des cours d'eau

 Amibe

C'est le bon fonctionnement de la station d'épuration qui va déterminer la qualité d'un cours d'eau et du milieu récepteur, en aval de cet ouvrage. L'exode inéluctable de la population des campagnes vers les agglomérations est un élément qui doit inciter les gestionnaires de ces unités à être de plus en plus vigilants sur le respect des normes exigées, pour tout rejet dans le milieu naturel. Des tests et les suivis de la mesure de paramètres physico-chimiques et chimiques deviennent des outils indispensables. Nous avons vu que l'observation macroscopique des boues est un indicateur intéressant.

                                             Bassin d'aération

D'autres mesures apportent des informations et viennent compléter la diversité des outils de contrôle. Le document intitulé: "Bilan 2008 de l'assainissement en France" et que vous pouvez consulter sur le lien suivant:

  http://assainissement.developpement-durable.gouv.fr/documents/Bilan%20Assainissement%20juillet%202010.pdf

Précise que les 3 paramètres de base, qui permettent d'apporter des informations sur le fonctionnement de la station de traitement des eaux usées sont:

 La Demande biochimique en oxygène dissous, (DBO5 en mg/l d'oxygène dissous), c'est l'indicateur de la pollution liée au rejet de la matière organique. La demande biochimique en oxygène est la quantité d'oxygène consommée dans des conditions d'essai spécifiques (incubation pendant 5 jours, à 20° dans l'obscurité) par les micro-organismes présents dans l'eau, pour assurer la dégradation de la matière organique par voie biologique. 

, L'ion Ammonium  (NH4+ en mg/l de NH4) 

est l'indicateur du traitement de la pollution azotée. Au contact de l'oxygène fourni par les aérateurs et en présence de bactéries Nitrosomonas, il se transforme en Nitrites (NO2) ou Nitritation forme instable.

  55 NH₄⁺ + 5 CO₂ + 76 O₂ ® C₅H₇NO₂ + 54 NO₂^- + 52 H₂O + 109 H⁺

 La transformation en Nitrates (NO3) ou Nitratation va s'opérer en présence de bactéries: Nitrobacter sous une forme stable et étape ultime de la transformation de L'azote organique.

400 NO₂- + 5CO₂ + NH₄⁺ + 195 O₂ +2 H₂O ® C₅H₇NO₂ + 400 NO₃^- + H⁺

    Les Orthophosphates ou PO4 en mg/l, est un indicateur du traitement de la pollution phosphorée. Le classement en zones sensibles à

l'eutrophisation, à l'origine de la prolifération algale sur une grande partie du territoire national a permis d'imposer un traitement poussé du phosphore (plus de 80% de rendement) sur de très nombreuses grosses stations d'épuration . La prise en compte des exigences de qualité du milieu récepteur imposées dans les schémas directeurs et de gestion des eaux (SDAGE) de 1996 ont  permis d'avoir un parc de station de traitement des eaux usées qui impacte faiblement les milieux récepteurs au

niveau de ce paramètre. Il faut également noter que les stations de traitement des eaux usées traitent en général 40 à

50% du phosphore sans ajout de réactif par rétention dans les matières en suspension et absorption par les bactéries

épuratrices.

   Ces 3 éléments sont systématiquement recherchés lors d'une intervention sur une station d'épuration. Des échantillonneurs qui récoltent l'effluent entrant et sortant de l'installation à intervalles réguliers durant 24H, couplés à des appareils mesurant les débits permettent d'effectuer des échantillons moyens et de calculer le rendement de la station.

       Auto contrôle d'une station

 D'autres analyses complètent ce diagnostic:

  Ce rapport évalue la biodégradabilité d'une eau usée, c'est à dire la faculté de transformation de la matière organique en matière minérale, admissible par le milieu naturel.

 Le pH: ou potentiel en hydrogène permet de déterminer le caractère acide ou basique d'une solution. A titre indicatif, l'échelle de pH varie de 0 à 14, le pH de la neutralité étant de 7. Le pH inférieur à 7 est acide. Il est alcalin s'il est supérieur à cette valeur. Le pH d'un effluent urbain traditionnel est légèrement alcalin, c'est-à-dire de l'ordre de 7,5 à 8. Par contre, celui des effluents industriels peut être extrêmement variable.

   La conductivité: en microsiemens/cm

  Il s'agit d'une mesure de la capacité d'une solution à laisser passer un courant électrique. Cette capacité dépend des sels solubles dans l'eau et la température de mesure. Les mesures de conductivité, en laboratoire, sont utilisées pour d'une part, établir le degré de minéralisation (dont on peut déduire l'effet physiologique sur les plantes et les animaux, une estimation pour la corrosion), et, d'autre part, évaluer la concentration en matières minérales dissoutes dans les eaux brutes et usées. Cependant cette mesure est plus utilisée dans l'optique de détection d'une éventuelle pollution, que les autres paramètres n'auraient pas mis en lumière (cas de métaux lourds dissous dans l'eau par exemple), ou également pour confirmer un avis. La conductivité des eaux usées est très variable d'une région à l'autre. Pour des eaux usées domestiques, on peur citer des valeurs moyennes allant de 900 à 1300. Il faut de plus noter que les traitements physiques ou biologiques n'ont peu d'incidence sur ce paramètre.

Le test du disque de Secchi:

  Cette méthode est destinée à évaluer les masses d'eau in situ (c.f. norme). La procédure d'utilisation consiste à immerger le disque de Secchi jusqu'à ce qu'il devienne à "peine visible vu d'en haut". On mesure alors la profondeur d'immersion. Elle donne des indications intéressantes sur l'état des boues ( foisonnement ou boues en bonne santé).

 L'oxygène dissous:

 2 méthodes peuvent être utilisées et seront détaillées ultérieurement. La mesure s'effectue dans le bassin d'aération et détermine l'activité des boues à transformer la matière organique.  

        Nous avons vu dans l'article précédent, que les boues activées pouvaient se trouver sous 3 formes: dispersées, filamenteuses ou  bien floculées. L'évolution de ces aspects macroscopiques se font sur l'échantillon brut en observant sa couleur et son odeur et sur les boues décantées en notant la quantité et l'aspect du floc , mais aussi en décrivant le liquide surnageant.

 Les boues soumises à une bonne aération  dans l'aérateur sont de couleur marron avec une légère odeur de terre d'humus.si la couleur tend à devenir noirâtre, le plus souvent accompagnée d'une odeur nauséabonde, la cause est liée à une sous aération . Des boues grisâtres, peu concentrées dénotent une faible charge polluante. 

 Le premier test est celui de la décantation des boues en éprouvette de 1l pendant 30mn

 - Si le volume décanté est inférieur à 100 ml, on en déduit que les boues sont insuffisantes. Si le liquide surnageant est turbide et laiteux, la station est très probablement en phase de mise ou remise en service. Si le liquide surnageant est limpide, mais avec une interface très nette de séparation entre le surnageant et les boues, on peut penser à une extraction trop fréquente des boues ou bien à une mauvaise gestion du mécanisme d'oxydation  (sous- aération) et d'exploitation de l'aérateur.

 - La quantité de boues comprise entre 200 et 750 ml est satisfaisante et dépend du fonctionnement utilisé: moyenne, forte charge ou aération prolongée.

 - Un volume mal décanté supérieur à 750 ml dénote soit la présence de bactéries filamenteuses, soit une surcharge pondérale et une mauvaise gestion du soutirage des boues.

 L'aspect et la qualité du surnageant  donnent des informations sur le bon équilibre oxygène et matières organiques avec la présence de graisses, de mousses biologiques, de

 déchets solides dont l'origine est à rechercher sur le réseau d'eau usée. Généralement un surnageant limpide est la conséquence d'un bon fonctionnement de l'épuration . Tout surnageant. trouble est la résultante d'un dysfonctionnement de la station ou d'une charge organique discontinue et de composition variable.

 Rotifère : microorganisme peuplant les boues activées.

              Nous avons vu que la consommation de la matière organique en provenance des rejets urbains se faisait par l'intermédiaire de boues activées en présence de l'oxygène dissous de l'eau des aérateurs et qu'il se formait un floc de micro-organismes vivants, dont le seul but est de transformer cette matière en éléments dissous assimilables et plus stables.  Les performances de ces usines de traitement dépendent de la qualité de leur exploitation , de l'effluent et de la biomasse. Des observations simples, associées à des mesures analytiques, permettent de donner un rapide aperçu du fonctionnement de la station d'épuration par un diagnostic rapide mais efficace. 50% de la pollution est absorbée pour le métabolisme bactérien au niveau de la cellule, le restant est emmagasiné sous forme de sucres qui servent à la cohésion et à l'homogénéité du floc, qui devra décanter facilement et se séparer de la phase aqueuse épurée. Suivant le rendement de l'épuration on peut de visu  observer des boues dispersées, filamenteuses ou bien floculées.

    - Les boues dispersées: La décantation et l'épuration sont faibles. La croissance des bactéries est rapide causée par une nourriture alternativement abondante ou restreinte et des conditions particulières du milieu  (température excédentaire).

    - Les boues filamenteuses: Le phénomène s'appelle le foisonnement, on peut considérer que la station d'épuration est en mauvais état de marche, l'orsque l'indice de boues ( rapport entre le volume de boues décantées en 30 mns dans une éprouvette graduée de 1l , exprimé en ml et la concentration de matières en suspension contenue dans cette éprouvette en g/l)  est supérieur à 200 ml/g.  La charge hydraulique est importante dans ces stations. Les bactéries n'ont pas le temps d'épurer l'effluent qui traverse les différents ouvrages à grande vitesse. Les boues sont légères et décantent difficilement, elles peuvent partir avec l'effluent dans le milieu naturel.

    - Les boues bien floculées: La nourriture est adaptée à la croissance de la biomasse bactérienne et du mucilage (lien qui cimente le floc par des mécanismes physiques ou biochimiques).

Test de décantation avec éprouvettes de 1l

C'est le système d'épuration qui est le plus naturel, qui s'intègre parfaitement dans le paysage et qui consomme très peu d'énergie, cependant la superficie occupée par un tel traitement est importante, il faut compter 2m2 par habitant et au prix actuel des terrains notamment à proximité des collectivités, il devient, financièrement, peu compétitif, mais a le mérite de fournir une eau épurée exempte de microorganismes plus conformes aux normes bactériologiques. L'effet des radiations UV et la présence de macrophytes, neutralisent en présence de l'oxygène dissous, les bactéries lors du cheminement de l'effluent à travers les lagunes. Plusieurs bassins remplis de graviers sont imperméabilisés pour permettre aux roseaux, aux massettes et aux plantes supérieures de se développer et de capter par les racines tous les éléments nutritifs apportés par les eaux usées.
Le rendement est supérieur à 90%.

Le plan d'une station d'épuration écologique ou biologique. Vidéo de son fonctionnement.

Retrouver le nom de ces fleuves en cliquant sur le lien :link

Les stations d'épuration à boues activées.

Si la plupart des petites communes utilisent le procédé biologique à lit bactérien, c'est le cas de nombreux villages de l'arrière pays niçois, les grandes agglomérations se sont tournées vers des systèmes plus sophistiqués à cultures libres consommatrices d'énergie: “les boues activées”.
Dans ces procédés, les micro organismes se développent dans des bassins alimentés d’une part en eaux usées à traiter et d’autre part en oxygène par des apports d’air, au moyen d'une turbine rotative. Les bactéries, en suspension dans l’eau des bassins, sont donc en contact permanent avec les matières polluantes de petite taille, dont elles se nourrissent et avec l’oxygène nécessaire à la transformation de la matière organique et forment des boues activées, qui sont donc des organismes vivants (amibes, paramécies, etc...) et n'ont rien de minéral.
Les principes de fonctionnement diffèrent suivant le degré final d'épuration, mais dans la majorité des cas, on traite par oxydation les éléments qui composent la matière:

  - le carbone C, pour obtenir un gaz: le CO2 ou gaz carbonique.

  - l'azote en nitrites: NO2, puis en nitrates NO3. Le but est de ne pas polluer le cours d'eau en aval du rejet, il faut éviter que la rivière ne termine le processus d'épuration, en utilisant l'oxygène dissous de l'eau. Certaines grosses unités d'épuration, transforment par réduction, les nitrates en gaz azote (N2).

  - le phosphore en orthophosphates: PO4.

 L'association dans le milieu récepteur des nitrates NO3 et des orthophosphates PO4, concourent au développement des algues et des macrophytes ( plantes aquatiques) consommatrices d'oxygène qui nuisent au fonctionnement de la vie aquatique et à l'équilibre des écosystèmes.

 La séparation de l’eau traitée et des bactéries  se fait dans un silo cylindrique appelé "clarificateur".
Pour conserver un stock constant et suffisant de bactéries dans le bassin de boues activées, une grande partie des boues extraites du clarificateur est renvoyée dans le bassin.
Une petite partie de ces boues, correspondant à l’augmentation du stock pendant une période donnée, est évacuée du circuit des bassins d’aération et dirigée vers les unités de traitement des boues ou des lits de séchage (en particulier dans le sud de la France).

                                                       STATION D'EPURATION A LIT BACTERIEN

On les envoie faire une toilette dans une station d'épuration, via un réseau d'eaux usées (séparatif ou unitaire). En fonction de critères de sélection propres aux communes, on peut trouver actuellement, plusieurs types de stations:

 - A simple traitement chimique ( Effluent qui ne subit que la phase primaire de la dépollution).

 - A lit bactérien.

 - A boues activées.

 - Ecologiques:

La station d'épuration à lit bactérien. C'est le plus vieux concept de station, Peu consommateur d'énergie, il est de retour en grâce ces dernières années. Le principe est basé sur le traitement biologique aérobie et la formation d'un film biologique qui se fixe sur des supports (pouzzolane ou disques de plastique), reçevant l 'effluent débarrassé des grosses particules. 

par un traitement primaire: dégrillage, deshuilage, dessablage, utilisation d'un décanteur-digesteur. Le film biologique formé est recueilli à la sortie du lit bactérien avec l'eau traitée. Il est piégé par un décanteur secondaire, sous forme de boues organiques composées de bactéries aérobies et anaérobies, laissant l'eau épurée rejoindre le milieu naturel. Les eaux usées sont réparties sur la partie supérieure du lit, dans la majorité des cas, au moyen d'un distributeur rotatif (sprinkler). Les sous produits sont évacués hors de la station. Les conséquences d'un mauvais fonctionnement de la station d'épuration sont: le départ du film biologique avec l'éffluent traité dans le cours d'eau et le risque de colmatage du fond , une chûte du taux d'oxygène dissous en aval du point de rejet dans le milieu récepteur, une modification importante de la qualité de l'eau, une présence importante de bactéries (coliformes et streptocoques fécaux) qui sont un danger pour la baignade et l'utilisation alimentaire de l'eau.

 4 phases constituaient le phénomène cyclique de l'eau, (L'évaporation, la condensation, les précipitations, le ruissellement). L'intervention de l'homme s'effectue essentiellement sur les deux derniers critères: les précipitations et le ruissellement. 

- LES PRECIPITATIONS: Certains scientifiques, en particulier les astronomes, prônent pour un réchauffement actuel du climat, causé par l'activité chaotique du soleil. D'autres pour une perturbation, où l'activité de l'homme serait déterminante dans le dérèglement du climat. Il est probable que l'essentiel du réchauffement soit en majorité imputable, au cours du siècle précédent, au conséquences des activités humaines.Les cartes des relevés de températures  en région PACA, sur une trentaine d'années, montrent que le réchauffement climatique a bien été observé, avec une augmentation des écarts plus marquée au sud de la région et une pluviosité fluctuante, moins abondante et répartie de manière très inégale sur l'ensemble des 6 départements.

 - LE RUISSELLEMENT:  Sur le plan Quantitatif: La gestion de l'eau a abouti à la création d'ouvrages chargés, soit de réguler le débit des rivières (retenues, barrages ou autres) soit de capter une partie de ces eaux pour des besoins naturels ou des activités économiques.

                                       Sur le plan qualitatif: C'est le sujet qui nous intéresse. Les rejets domestiques et industriels peuvent être un facteur prépondérant pour la qualité du ruissellement des eaux. L'eau doit s'écouler vers la mer sans subir de dommages pouvant altérer l'équilibre des écosystèmes aquatiques et modifier son équilibre naturel, allant jusqu'à dégrader les aquifères profonds, les nappes phréatiques saturées, de nitrates, de pesticides et autres produits de l'industrie pharmaceutique (Certains poissons d'eau douce subissent déjà des mutations génétiques). Ce sont les stations d'épuration ou usines de dépollution  qui constituent le remède pour permettre à l'eau, de conserver une bonne qualité écologique, compatible avec une vie aquatique normale et d'atteindre un bon état écologique.