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Les biocapteurs appliqués au contrôle des eaux: Revue - État de l'art
Authors: Osbild D. , Babut M. , Vasseur P. 
Published: July 2012

Cet article présente l'ensemble des biocapteurs en cours d'étude et proposés pour le contrôle en continu, automatisé et in situ de la qualité des eaux. Le principe des systèmes, étudiés jusqu'ici majoritairement en laboratoire et sur pilote, sera donné avec leurs performances au plan sensibilité et spécificité de détection des polluants hydriques. Ces performances conditionnent leur domaine d'application : les systèmes très sensibles étant affectés au contrôle des eaux d'alimentation et des eaux souterraines, les moins sensibles au contrôle des effluents très contaminés.
Les biocapteurs peuvent se caractériser par deux de leurs composantes principales :
- le réactif biologique ou biocatalyseur, sensible au(x) polluant(s);
- le détecteur appelé transducteur, qui traduit la réponse biologique du biocatalyseur en un signal électrique. Le transducteur peut être de type optique, électrochimique, ampérométrique principalement, ou piézoélectrique.
Trois grands types de biocapteurs peuvent être distingués selon la nature du biocatalyseur :
- les bioréacteurs, basés sur l'étude des réponses comportementales des vertébrés (poissons) et d'autres organismes aquatiques (microcrustacés, bivalves):
- les biosondes cellulaires reposant sur l'étude des fonctions métaboliques telles que la respiration, la bioluminescence, la photosynthèse de microorganismes immobilisés (bactéries, microalgues, levures) ou libres (boues activées) dans le milieu analysé:
- les biocapteurs "d'affinité" basés sur l'utilisation d'enzymes ou d'anticorps, chargés de détecter respectivement les substrats et inhibiteurs enzymatiques spécifiques, ou les substances antigéniques vis à vis desquelles les anticorps ont été développés. Ces systèmes sont, par principe, les plus spécifiques mais aussi les plus sensibles. Ils ne couvrent, cependant, qu'une gamme encore très limitée de micropolluants hydriques.
Le degré d'autonomie d'un biocapteur, sa facilité d'utilisation et de maintenance et sa fiabilité, sont des éléments qui rentrent en ligne de compte dans les performances. Ces qualités devront être évaluées lors de la phase de validation in situ, essentielle et déterminante pour juger de l'intérêt du système en conditions de fonctionnement réel.
Synthèse d'un sulfatoferrate de potassium et son efficacité dans le traitement des eaux
Authors: Aubertin N. , Neveux N. , Gerardin R. , Evrard O. 
Published: July 2012

Depuis le milieu du siècle dernier, nous savons que le fer existe à son degré d'oxydation supérieur VI dans l'ion tétraoxoferrate(VI) FeO42-, isostructural de SO42-, CrO42-, MnO42-. Cette espèce mise en solution aqueuse oxyde l'eau en O2, et ce quelque soit le pH de cette solution. La vitesse de cette réaction est très grande en milieu acide, plus lente en milieu alcalin où elle conduit à la précipitation de Fe(OH)3. On peut donc envisager son emploi comme réactif polyfonctionnel : oxydant et floculant, dans le traitement de certaines eaux.
La première partie de ce travail décrit une voie originale de synthèse à l'état solide, à la température ambiante, du sel de formule K2(Fe,S)O4, appelé sulfatoferrate de potassium, qui contient l'entité FeO42-. En effet, jusqu'à ce jour seules des synthèses par voie aqueuse, à rendements très faibles, chimiques ou électrochimiques, ont été utilisées pour obtenir FeO42-.
Dans une seconde partie, nous avons mesuré les propriétés oxydantes et floculantes du sulfatoferrate de potassium agissant sur deux types d'eaux usées urbaines, chargées (MEST=258 mg.L-1, DCO=549 mg.L-1) et peu chargées (MEST=9 mg.L-1, DCO=37 mg.L- 1). Cette étude effectuée en collaboration avec le Centre International de l'Eau de Nancy (NANC.I.E.) nous a permis de préciser les conditions optimales d'emploi de K2(Fe,S)O4 et de comparer ses performances à celles de FeCl3.6H2O et Al2(SO4)3.18H2O.
Sur une eau chargée, l'abattement de la MEST est meilleur avec FeCl3.6H2O et Al2(SO4)3.18H2O, tandis que K2(Fe,S)O4 est plus efficace vis à vis de l'abattement de la DCO.
Sur une eau peu chargée, c'est l'effet bactéricide de K2(Fe,S)O4 qui est le plus remarquable; une dose de 10 mg.L-1 en fer (VI) anéantit 99,70% des coliformes totaux et 99,90% des coliformes fécaux.
Évolution des acides aminés et de la matière organique dissoute dans une filière de production d'eau potable: Corrélations avec le carbone organique dissous biodégradable et le potentiel de demande en chlore à long terme
Authors: Dossier-Berne F. , Merleti N. , Cauchi B. , Legube B. 
Published: July 2012

Le suivi de la matière organique totale (COD) et spécifique (substances humiques et principalement acides aminés dissous totaux) dans les eaux d'une filière de production d'eau potable a mis en évidence des abattements moyens dans l'eau traitée représentant 40 % du COD et 0 à 75 % des acides aminés. Parallèlement, le potentiel de demande en chlore à long terme est diminué de près de 70 %, alors que la fraction biodégradable connait une élimination de l'ordre de 50 %.
Aucune corrélation directe n'a pu être mise en évidence entre les teneurs en acides aminés et la valeur du carbone organique dissous biodégradable (CODB) et de la demande en chlore des eaux brutes ou en cours de traitement. Cependant, compte tenu des teneurs en acides aminés dissous totaux quantifiées dans les eaux traitées de l'usine, leur participation peut être estimée entre 5 et 23 % du potentiel de demande en chlore et entre 5 et 25 % du CODB.
La matière organique analysée spécifiquement dans le cadre de cette étude (substances humiques et acides aminés dissous totaux), représente 20 à 35 % du COD des eaux en fin de filière, et la présence de ces composés organiques serait responsable d'une part notable de la demande en chlore à long terme des eaux (40 à 60 %).
Étude de l'évolution des acides aminés totaux dans deux filières de traitement d'eau potable
Authors: Hureïki L. , Gauthier C. , Prévost M. 
Published: July 2012

Cette étude présente un suivi de l'élimination des acides aminés totaux par les différentes étapes de traitement de deux usines canadiennes de Ville de Laval (Québec, Canada). L'influence des saisons sur l'efficacité de l'abattement ainsi que le devenir des acides aminés dans les réseaux de distribution de ces usines ont aussi été étudiés.
D'une manière générale, l'étape de coagulation-floculation-décantation permet une élimination important d'acides aminés totaux (34-72%), l'effet de la filtration sur sable et anthracite est peu prononcé et varie avec les saisons, l'ozonation provoque une augmentation (20-100%) et la filtration sur charbon actif biologique (CAB) permet un abattement en eau tiède (25-34%), mais semble relarguer en eaux froides (35%). Finalement, la post-désinfection au chlore permet une élimination supplémentaire (47%) à cause de la réactivité de cet oxydant envers les acides aminés. La post-désinfection au bioxyde de chlore permet elle aussi d'abattre les teneurs en acides aminés (12-39%) et ce, malgré le fait que cet oxydant soit moins réactif envers les acides aminés. L'élimination des acides aminés totaux avant la chloration est préférable afin de limiter la formation de sous-produits de chloration.
Modélisation du comportement des biomasses bactériennes libres et fixées dans les réseaux de distribution d'eau potable
Authors: Piriou P. , Dukan S. , Levi Y. , Guyon F. , Villon P. 
Published: July 2012

La prolifération bactérienne en réseaux de distribution d'eau potable est un souci majeur des distributeurs d'eau. La complexité des phénomènes impliqués dans la croissance bactérienne en réseaux nécessite une modélisation mathématique pour définir l'impact des différents paramètres de la qualité de l'eau et généraliser ces résultats à l'échelle du réseau de distribution.
Une approche déterministe a été choisie pour développer cette modélisation prédictive de la croissance bactérienne dans les systèmes de distribution. Le modèle prend en compte : la croissance de fa biomasse libre et de la biomasse fixée, la consommation en nutriments exprimés par le CODB, l'action bactéricide du chlore sur la flore libre et la dore fixée, la déposition des bactéries en suspension et le détachement des bactéries fixées. Le modèle propose une approche originale pour la modélisation de l'action bactéricide du chlore. Par ailleurs, différentes formulations du détachement ont été testées algébriquement pour définir la modélisation la plus adaptée à notre système d'équations.
Ce modèle a été couplé au logiciel de modélisation hydraulique IMCCOI.O développé par la SAFEGE. Utilisant les données hydrauliques et de géométrie générées par PICCOLO, le modèle prédit les numérations bactériennes en chaque noeud et sur chaque arc du réseau de distribution. Utilisant l'interface graphique de PICCOLO, le modèle permet une visualisation de l'évolution de la qualité bactérienne par cartographie.
Des simulations ont été réalisées sur de nombreux réseaux présentant des tailles et des niveaux de complexité variables. Le modèle a été validé à partir de campagnes de prélèvements sur sites.
Ce modèle permettant de simuler l'évolution de la qualité bactériologique à l'échelle du réseau est un outil unique pour le diagnostic et la gestion qualitative des systèmes de distribution d'eau potable.
Échantillonnage par valeurs supérieures à un seuil : modélisation des occurrences par la méthode du renouvellement
Authors: Lang M. , Rasmussen P. , Oberlin G. , Bobée B. 
Published: July 2012

L'échantillonnage par valeurs supérieures à un seuil consiste à retenir tous les événements d'une chronique, définis par l'existence d'un maximum local supérieur à un seuil critique. L'étude probabiliste est alors menée par calage de deux lois de probabilité, une sur le processus d'occurrence de ces événements (date des événements), une autre sur la marque des événements (valeur du maximum local), puis par recomposition de ces deux lois pour obtenir la loi de probabilité associée au maximum annuel.
La théorie du renouvellement permet d'étudier le processus d'occurrence d'événements. Les propriétés générales de la loi le plus souvent utilisée, la loi de Poisson (stationnaire ou non), sont présentées, ainsi que des éléments nouveaux concernant la loi Binomiale et la loi Binomiale négative. Ces propriétés sont relatives à la distribution du nombre d'événements sur un intervalle de temps donné, et à la distribution de la durée de retour, définie comme l'intervalle de temps séparant deux occurrences successives d'événements.
Les relations existant entre la loi de probabilité d'une variable et la période de retour de l'événement associé sont ensuite détaillées. Il s'agit d'un rappel de résultats lorsque la variable étudiée est obtenue par sélection d'un ou de plusieurs maximums par an, ou dans le cas d'un processus marqué de Poisson; et d'éléments nouveaux dans le cas d'un processus représenté par une loi Binomiale ou une loi Binomiale négative.
Pour finir, on trouvera les correspondances entre les deux types d'échantillonnage précédents (par maximum annuel ou par valeurs supérieures à un seuil), en terme de période de retour, de distribution et de variance d'échantillonnage.
Incidence d'une technique de décontamination par tensioactifs sur la conductivité hydraulique d'un aquifère contrôlé pollué par du gazole
Authors: Bettahar M. , Razakarisoa O. , Van Dorpe F. , Baviere M. 
Published: July 2012

Les nappes d'eau souterraine constituent des ressources vulnérables que l'activité industrielle croissante contribue à polluer trop fréquemment. Les produits les plus manipulés se voient donc directement concernés dans les cas de pollution d'aquifères. A ce titre, les produits pétroliers, notamment ceux que l'on considère comme étant domestiques (gazole, fuel, essence, etc.) se situent au premier rang.
Dans le but de mieux aborder ce type de contamination, des études sont menées sur un site expérimental de grandes dimensions et parfaitement contrôlé, dans lequel 476 l de gazole routier (GOR86) ont été déversés. Une première tentative de récupération du polluant, par infiltration de tensioactifs depuis la surface, démontre la capacité du mélange utilisé à mobiliser le polluant mais conduit à la réduction de la perméabilité du milieu poreux faisant ainsi apparaître une limitation des performances pour ce type de procédés de décontamination.
Des expériences au laboratoire, conduites sur des colonnes de milieu poreux, ont été entreprises pour rechercher les causes de cette perte de conductivité hydraulique. Avec le sable considéré ici, les argiles ne jouent pas un rôle prépondérant dans le colmatage. Il est démontré également que le gradient de charge, quand il est augmenté, permet d'injecter une quantité plus importante de tensioactifs sans pour autant pallier ce problème de colmatage. Enfin, il apparaît que les tensioactifs, en présence des ions calcium, peuvent s'agglomérer pour former des associations de micelles lamellaires, cylindriques et/ou mixtes, assez volumineux pour être filtrés à la surface du sol à traiter. Au bout d'un certain temps, le milieu poreux est totalement colmaté et par conséquent le débit d'infiltration de la solution devient nul. Sur le plan de la récupération du polluant, ce paramètre s'avère être particulièrement important. Sa variation influence donc fortement les quantités de polluant mobilisé.
Cette étude démontre la faisabilité du procédé. Toutefois elle souligne aussi que, sous peine de perdre de leur efficacité, les solutions de tensioactifs doivent conserver leurs caractéristiques initiales (stabilité de la taille des particules colloïdales notamment) pendant toute la durée du traitement. Dans la mesure où l'agglomération des micelles est en cause, il faudra rechercher les moyens d'obtenir une dispersion plus stable, par exemple par addition d'agents solvants.
Influence des couvertures lithologiques et végétales sur les régimes et la qualité des eaux des affluents congolais du fleuve Congo
Authors: Laraque A. , Mietton M. , Olivry J. C. , Pandic A. 
Published: July 2012

Les affluents et sous affluents congolais du fleuve Congo se partagent en deux systèmes hydrologiques, qui, tout en étant proches dans l'espace, sont sensiblement différents dans leur fonctionnement. Cette distinction repose sur la différenciation manifeste entre les deux régions naturelles que sont les "Plateaux Tékés" d'une part et la "Cuvette congolaise" d'autre part, nettement contrastées du point de vue du couvert végétal et lithologique et subsidiairement du climat
La classification hydrologique que nous présentons est basée sur l'étude des coefficients d'écoulement interannuel (rapport de la lame d'eau écoulée sur la lame d'eau précipitée, exprimé en pourcentage) et sur le coefficient d'irrégularité saisonnière moyen des débits qui est le rapport moyen sur les chroniques disponibles, entre débits mensuels maximum et débits mensuels minimum par année hydrologique. Pour les rivières Tékés, le premier paramètre présente des valeurs comprises entre 45% et 60% contre 20% à 30% pour la "Cuvette Congolaise", alors que le deuxième paramètre varie respectivement pour ces deux régions de 1,1 à 1,5 et de 2,5 à 5,5.
Cette classification présente l'avantage d'être à la fois adaptée à ces deux contextes régionaux voisins mais aussi de mettre en évidence le rôle prépondérant des formations géologiques et des couvertures végétales sur les écoulements des cours d'eau concernés, ainsi que sur la qualité des eaux.
En effet, après son passage au travers d'un important aquifère gréseux, les eaux des Plateaux Tékés à couverture de savane font partie des "eaux claires", à très faible minéralisation, marquée essentiellement par la présence de silice dissoute. En revanche, les " eaux noires " couleur de thé qui drainent la Cuvette Congolaise, couverte de forêts, sont très riches en matière organique et très acides
Évolution des recherches hydrologiques en partenariat en Afrique sub-saharienne : l'exemple des pays francophones
Authors: Olivry J. C. , Sircoulon J. 
Published: July 2012

L'étude des activités hydrologiques menées au cours des cinquante dernières années dans les pays francophones de l'Afrique sub-saharienne apporte un précieux éclairage sur les difficultés rencontrées, les modes de collaboration adoptés et l'ampleur des défis à relever dans le domaine de l'eau à l'aube du troisième millénaire.
Ceci est l'occasion de tracer les étapes marquantes de l'acquisition de la " connaissance hydrologique " depuis l'ère pionnière des années 50 jusqu'aux programmes scientifiques les plus récents faisant appel à des technologies avancées. Cette rétrospective permet également d'apprécier l'évolution des modes de partenariat entre acteurs scientifiques, techniques et économiques du Nord et du Sud.
Ces travaux et recherches ainsi entrepris et développés montrent à la fois l'importance du savoir acquis et la nécessité de poursuivre les études en cours. Ils dressent aussi un constat encourageant quant à l'avenir des projets régionaux africains en hydrologie grâce au renforcement des relations scientifiques entre pays de la région.
Stratégie de prospection hydrogéologique du socle de la bordure orientale tchadienne par optimisation du nombre et de la profondeur des sondages de reconnaissance
Authors: Gombert P. 
Published: July 2012

Sous le climat à faible pluviosité du Tchad, les altérites sont dénoyées et seul le socle fracturé est aquifère. Le taux d'échec des forages atteint 60% car les fractures ont une répartition très discontinue comme le montre leur organisation fractale. Cela entraîne la coexistence de secteurs productifs et stériles. A l'échelle kilométrique, on peut ajuster le nombre de sondages de reconnaissance par village en fonction des caractéristiques climatiques, topographiques et géologiques. On définit ainsi des zones de productivité forte, où le taux de succès atteint 79%, moyenne et faible. On peut alors affecter chaque village d'un " potentiel d'investigation " qui est le produit du nombre de sondages par leur profondeur prévisionnelle.
A l'échelle locale, une analyse en composantes principales des paramètres de forage montre que la présence d'eau souterraine est liée aux caractéristiques du socle fracturé et non altéré. Une analyse discriminante fournit une " équation de productivité " qui permet de prévoir 90% des résultats en cours de foration: dès que le forage a traversé une dizaine de mètres de socle non altéré, elle permet de définir une profondeur limite d'investigation dépendant des caractéristiques intrinsèques de chaque site. Elle est surtout applicable dans les zones les moins productives où l'on observe systématiquement un surcreusement inutile des forages négatifs.
On dispose ainsi d'une stratégie de prospection alliant le nombre et la profondeur des forages. Elle permet de limiter la profondeur des forages implantés sur des sites peu productifs et de reporter le métré ainsi récupéré sur des sites plus prometteurs.
Impact écotoxicologique du traitement chimique des eaux usées de tanneries: Analyse technico-économique
Authors: Yatribi A. , Nejmeddine A. 
Published: July 2012

La toxicité des eaux usées du tannage au chrome et d'épilage-pelanage, avant et après traitement, a été évaluée par test Daphnia pulex. Cette évaluation a été déterminée à partir des équations de corrélation linéaires. Les résultats obtenus montrent que le tannage au chrome et l'épilage-pelanage présentent une toxicité élevée avec des valeurs des CI50 24h respectives de 0,15 et 3,36. Cette toxicité élevée pourrait être expliquée par la charge de ces effluents en chrome, en sulfures et en matière organique.
Après traitement par précipitation chimique, la CI50 24h a connu une importante augmentation. Elle est passée de 0,15 à 26,58 et de 3,36 à 11,1 respectivement pour le tannage au chrome et l'épilage-pelanage. Par conséquent, ces effluents traités peuvent être classés comme rejets peu toxiques. Cette diminution de la toxicité est liée surtout à l'abattement des MES (95 %), de la DCO (55 %), de Cr (90 %) et des sulfures (50 %). Ce traitement a donc, un double intérêt; le premier est environnemental, le second est économique du fait de la possibilité de recyclage du chrome récupéré dans le tannage du cuir. En effet, l'application expérimentale du chrome dans le tannage a montré un résultat similaire à celui obtenu par le produit commercial. Ainsi, suite à une analyse technico-économique, le bénéfice réalisé par cette opération est estimé à 3112,50 $ par 1000 tonnes par an.
Techniques à membranes appliquées à l'élimination des matières en suspension dans un circuit semi-fermé d'aquaculture
Authors: Quemeneur F. , Jaouen P. , Maleriat J. P. , Schlumpf J. P. , Bon L. , Lebegue E. 
Published: July 2012

Les piscicultures en circuits semi-fermés sont confrontées au problème de l'élimination permanente des matières en suspension (M.E.S.) et des substances azotées. Les procédés conventionnels utilisés pour retenir les M.E.S. (décantation, hydrocyclones, filtres mécaniques à tambour rotatif, filtration gravitaire) ne donnent par entière satisfaction. Par contre, la filtration sur membranes permet d'arrêter en totalité les particules en suspension et les bactéries.
On montre d'abord que les teneurs en M.E.S. et leurs répartitions granulométriques mesurées sur des échantillons prélevés en bassins d'aquaculture varient avec la taille des poissons et l'heure du prélèvement et on met en évidence la présence en nombre important de particules submicroniques.
Différents essais de filtration sur membranes sont ensuite présentés :
- d'une part, avec des membranes d'ultrafiltration capillaires à peau interne utilisées en potabilisation des eaux : on examine l'influence des paramètres hydrodynamiques (pression transmembranaire, vitesse de recirculation) afin de rechercher les conditions optimales de fonctionnement. Le flux de perméat ne dépasse pas dans le meilleur des cas 100 l.h-1.m-2.
- d'autre part, avec des membranes de microfiltration organiques planes en fluorure de polyvinylidène (PVDF) et tubulaires en céramique. Les flux obtenus avec les membranes organiques sont de l'ordre de 250 l.h-1.m-2
Dans tous les cas, la rétention des M.E.S. est totale.
Cependant l'estimation de l'investissement et des coûts de fonctionnement pour une pisciculture en circuit fermé de taille industrielle conduit à des prix trop élevés pour que l'utilisation des membranes dans ce domaine soit à ce jour économiquement envisageable.
Détermination de la structure tectonique de l'aquifère crayeux du littoral Nord Pas-de-Calais par prospection géophysique couplée à des observations par forage. Conséquence sur la répartition d'eau salée
Authors: Louche B. , Hallet V. 
Published: July 2012

Sur le littoral du Nord - Pas-de-Calais (France), la Craie d'âge Crétacé supérieur constitue l'aquifère le plus exploité régionalement pour l'alimentation en eau tant potable qu'industrielle. Sur la frange la plus littorale, l'aquifère crayeux, semi-captif est affecté par de nombreuses failles. Dans certains secteurs, la profondeur de la craie et la localisation des failles, restent aléatoires suite au manque de forages et d'affleurements. Afin de palier à ces lacunes, trois méthodes géophysiques (sondages électriques et sismiques, profilage électromagnétique) ont été appliquées.
La synthèse des données obtenues a permis de démontrer que la craie est découpée en une série de compartiments par des accidents tectoniques présentant un affaissement vers le Sud et vers l'Ouest. L'interprétation des données géophysiques a également permis d'obtenir des informations sur la répartition de l'interface eau douce - eau salée au sein de l'aquifère crayeux.
Dans la région, le concept classique de biseau salé ne permet pas d'expliquer l'irrégularité spatiale des intrusions. L'étude semble démontrer que la répartition et l'extension des intrusions d'eau salée peuvent être corrélées avec la localisation des accidents tectoniques, les intrusions les plus éloignées du rivage se faisant au droit des zones faillées.
Ceci amène à proposer une nouvelle approche concernant l'extension des intrusions d'eau salée : elles seraient directement tributaires de la géométrie et des caractéristiques hydrodynamiques de l'aquifère crayeux, ces dernières étant fortement influencées par la présence des failles.