Alors qu’on observe une certaine amélioration du niveau moyen de qualité des cours d’eau, on constate que le nombre des pollutions accidentelles reste important, mettant en péril l’approvisionnement en eau des usines de potabilisation qui traitent des eaux de rivières ou de nappes alluviales.
On garde encore le souvenir de la pollution de la Loire survenue en 1988, à la suite d’un incendie d’usine chimique, qui priva 200 000 habitants de Tours d’alimentation en eau potable pendant une semaine.
En réalité, les pollutions accidentelles sont beaucoup plus fréquentes que celles dont la presse se fait l’écho : ainsi, le Syndicat des Eaux d’Île-de-France (SEDIF), qui alimente 4 millions d’habitants en région parisienne à partir de la Seine, de la Marne et de l’Oise, subit 30 pollutions accidentelles notables par an, soit une par mois et par rivière…
Ce n’est donc plus un événement exceptionnel, et un distributeur d’eau comme la Compagnie Générale des Eaux se doit d’y faire face en élaborant une panoplie de mesures préventives et curatives des pollutions accidentelles qui va de leur détection aux traitements de crise.
La stratégie du distributeur d’eau
D’importants programmes de recherches ont été lancés par la Compagnie, avec l’appui du SEDIF, des Agences de l’Eau et du Ministère de l’Environnement, pour développer une instrumentation de surveillance et d’alerte adaptée à la détection et au suivi des pollutions accidentelles en rivières. Ces analyseurs sont maintenant fabriqués et commercialisés par la société Hydro-Environnement. Exploités en liaison avec un modèle informatique de simulation qui permet le suivi permanent et la prévision du déplacement des pollutions en rivière, ils permettent de disposer d’une procédure capable de prévoir les caractéristiques de la nappe polluante lors de son passage devant l’usine.
Enfin, les traiteurs d’eau ont mis au point des traitements de crise et ont engagé un programme de diversification des ressources et des équipements comportant des réserves d’eau brute et d’eau traitée, ainsi que des intercommunications entre les usines et les réseaux voisins.
Le rôle des stations d’alerte
Dans le dispositif défini ci-dessus, le rôle des stations de surveillance et d’alerte est primordial, les analyseurs automatiques en continu qui les équi-
* Compagnie Générale des Eaux.** Hydro-Environnement.
permettant de connaître à tout moment l'état de qualité de la ressource. Lorsque survient une pollution, la station fournit toutes les informations concernant la montée du front de la nappe polluante et l’évolution de la qualité de l'eau pendant toute la durée de passage de la nappe.
À partir de ces informations, on alimente le modèle Disperso qui, en fonction du régime hydraulique de la rivière, calcule l’évolution de la nappe durant son transit entre la station d’alerte et la prise d’eau de l’usine de potabilisation. On obtient ainsi le graphique prévisionnel du passage de la nappe devant la prise d’eau : heure d’arrivée, évolution de la concentration en polluant au fur et à mesure de sa progression.
Par ailleurs, les stations d’alerte sont généralement équipées de préleveurs-rejeteurs qui recueillent à intervalles donnés des échantillons d’eau polluée. Transportés jusqu’au laboratoire, ceux-ci serviront à préciser la nature exacte du polluant et à faire des essais de traitabilité, c’est-à-dire à déterminer, pour chaque étape de traitement existant en usine, l'abattement qu’elle permet avec les taux de traitement existants et avec l'utilisation de réactifs de crise comme le charbon actif en poudre.
La conjugaison du modèle Disperso et des essais de traitabilité permet de définir la conduite à tenir pour l’usine. Avant l’arrivée de la nappe, on en profitera pour produire un maximum d'eau potable afin de remplir les réservoirs d’eau traitée. La deuxième phase, comprise entre l’arrivée de la nappe et la limite en concentration de polluant correspondant au seuil de traitabilité, sera employée à produire encore de l'eau mais avec un traitement de crise. Au-delà, la nappe sera trop polluée pour être traitée et l’approvisionnement en eau sera fourni par les réserves et les intercommunications avec les réseaux voisins. Le modèle Disperso offre la possibilité de calculer la durée de cette phase d’arrêt de l’usine, ce qui permet au distributeur d’utiliser de manière optimale ses approvisionnements de secours. Lorsque la concentration diminue et redescend en dessous du seuil de traitabilité, l’usine est remise en service en configuration de crise jusqu’à la fin du passage de la nappe.
Les paramètres mesurés par les analyseurs en continu
Le choix des paramètres pour lesquels ont été conçus les analyseurs automatiques en continu est fonction, d’une part, de la gravité et de la fréquence des pollutions et, d’autre part, de l’existence ou de l’adaptabilité de méthodes d’analyse en automatique.
On trouve donc dans la gamme des analyseurs conçus par la Compagnie Générale des Eaux (tableau 1) :
- • des produits toxiques à faible concentration et difficilement traitables, comme les métaux lourds (zinc, plomb, cuivre, cadmium, chrome hexavalent), les nitrites, les cyanures, chlorures et fluorures (et sur l'eau traitée : l’aluminium) ;
- • des polluants parfois mieux traitables, mais de déversement accidentel très fréquent : c’est surtout le cas des hydrocarbures et de l’ammoniaque ;
- • un paramètre représentatif des polluants organiques, mais de caractère global : le carbone organique total (COT) ;
- • des paramètres représentatifs de l’état normal d’un cours d'eau : température, oxygène dissous, conductivité, pH.
Le cas spécial de l'analyseur Microtox
Malgré leur intérêt évident et compte tenu du nombre élevé des polluants potentiels, les paramètres physico-chimiques ne permettent pas d’apprécier dans son ensemble la qualité des eaux. On conçoit aisément qu’il est illusoire de multiplier à l’infini ce type de mesures, car l’exploitation d’un tel système deviendrait impossible. Il était donc intéressant de compléter cet appareillage de surveillance par la mise en place d’un test de toxicité aiguë. Ces mesures biologiques, qui sont couramment utilisées en laboratoire, présentent en effet l’avantage d’offrir une réponse globalisée d’un organisme aquatique à la qualité d’un environnement.
Le test Microtox utilise des bactéries marines du genre Photobacterium, qui émettent naturellement des photons. En présence de composés toxiques, la baisse du métabolisme des bactéries se traduit par une diminution de leur émission lumineuse que l'on compare à celle d’un témoin réalisé en parallèle dans une eau de référence non toxique. Les avantages de ce système sont : la sensibilité, la reproductibilité, la rapidité, la facilité de mise en œuvre et la normalisation de la mesure.
Pour la première fois, un test de toxicité aiguë est conçu de manière à pouvoir être exploité sous forme d’analyse automatique en continu. Il ne nécessite notamment pas d’élevage, comme son équivalent le test Daphnies, car les bactéries sont conservées sous forme lyophilisée. Les contraintes, liées essentiellement à la manipulation du réactif biologique et aux faibles volumes mis en jeu, ont amené à concevoir un automate basé sur l'emploi d'un bras manipulateur, piloté par un micro-ordinateur. Il est complété par un système de mesure par photomultiplicateur, à deux cuves, l’une pour le témoin, l'autre pour l’échantillon. Lorsque l’inhibition de luminescence dépasse la valeur de seuil fixée, le micro-ordinateur transmet l'alerte et poursuit son cycle d’analyse.
Le prototype ainsi mis au point a été objet, dans un premier temps, d’une évaluation sur des eaux dopées. Les résultats de l'appareil ont été comparés à ceux donnés par la méthode manuelle
de laboratoire : aucune différence significative n’a pu être mise en évidence, ce qui montre la fiabilité de l’automatisation.
Dans un deuxième temps, l’expérimentation s’est poursuivie pendant trois mois sur des eaux de surface. Durant cette période, l’appareil a permis de suivre l’évolution de la toxicité de l’eau lors d’alertes à la pollution. Le fonctionnement de l’appareil en continu a permis de détecter la présence de toxiques, même alors qu’aucune pollution n’avait été déclarée. Son degré de sensibilité est donc très élevé, ce qui est un gage de sécurité.
Le Microtox automatique apporte ainsi pour la première fois un outil fiable pour permettre le dosage de la toxicité aiguë, où les fausses alertes ont été bannies grâce aux procédures d’autocontrôle et de sécurité placées dans le logiciel de l’ordinateur qui pilote l’appareil. Il est devenu une arme de premier plan pour la détection et la lutte contre les pollutions accidentelles organiques à caractère toxique.
Principes des modes analytiques adoptés
La première caractéristique des analyseurs est leur seuil élevé de sensibilité, lequel se situe toujours au voisinage des normes de potabilité ou de qualité d’eau brute, comme il apparaît au tableau II. Ce seuil de sensibilité est garanti quels que soient les produits potentiellement interférents présents dans la matrice des composants de l’eau brute.
Afin d’affranchir les analyseurs spectrophotométriques des phénomènes d’encrassement et d’interférences dus à la turbidité, l’élément sensible de mesure est une électrode spécifique : le couple « électrode spécifique/électrode de référence » forme un dipôle électrique délivrant un signal lié à la concentration du polluant à mesurer. L’analyseur conditionne d’abord le milieu de mesure puis traite éventuellement l’échantillon (dégazage, minéralisation) avant d’effectuer sa mesure.
De même, pour les métaux lourds, la méthode par polarographie est la seule parmi les techniques automatisables qui soit suffisamment sensible pour atteindre des valeurs de l’ordre du microgramme par litre sans être altérée par des interférences comme le serait
Tableau I
Gamme des analyseurs
| Type d’analyseur | Principe de mesure | Paramètres mesurés |
|---|---|---|
| IGEA-ES | Analyseur par électrodes spécifiques | Ammonium Cyanures Chlorures Nitrates Fluorures |
| IGEA-NO₂ | Analyseur par électrodes spécifiques | Nitrites |
| IGEA-C | Oxydation au persulfate avec activation UV | Carbone organique total |
| IGEA-ML | Analyseur par polarographie | Chrome Cadmium Cuivre Zinc Plomb |
| IGEA-Hy | Indice CH₂ par infrarouges | Hydrocarbures aliphatiques |
| IGEA-Al | Spectrophotométrie multi-longueur d’onde | Aluminium |
| IGEA-4 PARA | Température Oxygène dissous Conductivité – pH Carbone organique total | |
| MICROTOX | Intensité d’émission lumineuse de Photobacterium | Indice de toxicité |
| Automate de dégustation | Seuil de saveur | |
| IGEA-PR | Préleveur-rejeteur |
Tableau II
Gamme de mesure des analyseurs et normes
| Analyseur | Unités | Gammes de mesures |
|---|---|---|
| Électrodes spécifiques | ||
| NO₂ | mg/l | 0,1* < z < 2 |
| NO₃ | mg/l | 0,5 < 50* < 100** |
| NH₄ | mg/l | 0,03 < 0,5* < z < 4** |
| Cl | mg/l | 0,2 < 200 < 250* |
| CN | mg/l | 0,03 < 0,05* < 0,5** |
| F | mg/l | 0,1 < 1,5* < 5 |
| Polarographie | ||
| Zn | µg/l | 20 < 1 000 < 5 000* |
| Pb | µg/l | 3 < 50* < 200 |
| Cu | µg/l | 20 < 1 000* < 1 500** |
| Cd | µg/l | 1 < 5* < 50 |
| Cr | µg/l | 10 < 50* < 500 |
| Spectrophotométrie | ||
| Al | µg/l | 20 < 200* < 600 |
| Hydrocarbures | ||
| ind. CH₂ | mg/l | 0,1* < 0,2 < 1** < 10 |
| Carbone organique total | ||
| Gamme standard | mg/l | 0,5 < 2 |
| Version diluée | mg/l | 5 < 200 |
Légende
x* < z < y : gamme de mesure
z : norme sur l’eau potable
t : norme sur l’eau brute
La colorimétrie.
L’analyseur en continu gère l’électrode polarographique, analyse les courbes « intensité-potentiel », étalonne et contrôle les mesures, puis nettoie systématiquement la cellule. L’analyse s’effectue par redissolution anodique pour Cd²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ et en goutte tombante pour Cr³⁺. En eau brute, pour compenser les effets de matrice, la technique de quantification utilisée est celle de l’ajout dosé. La méthode de polarographie permet, avec un seul analyseur, de mesurer plusieurs métaux avec des limites de détection largement inférieures aux normes de potabilité.
Le seul analyseur qui utilise la spectrophotométrie, et à trois longueurs d’onde pour corriger les effets de la turbidité, est l’analyseur d’aluminium.
En pratique, cela n’apporte aucun inconvénient car cet appareil n’est pas destiné à la mesure des eaux brutes où pourraient se produire des interférences de turbidité, son rôle étant de contrôler la teneur en aluminium de l’eau traitée sur laquelle les interférences de turbidité sont faibles.
L’analyseur d’hydrocarbures est basé sur une détection par photométrie infrarouge des chaînes aliphatiques hydrocarbonées après extraction par un solvant.
Le rendement d’extraction est excellent aux faibles teneurs. L’étape de purification prévue par la norme n’a pas été retenue car elle compliquerait les fonctionnalités de l’automate et ne s’impose pas pour l’objectif de détection de pollution (indice global d’hydrocarbures). La mesure est ainsi élargie aux graisses et tensio-actifs : une fois l’alerte donnée, le laboratoire de crise effectue alors des analyses plus fines. Le solvant est régénéré par passage sur charbon actif, ce qui s’avère plus simple que la distillation. Une solution aqueuse dopée permet de tester l’ensemble de la procédure. Un rinçage abondant à l’eau brute des tuyauteries et de la cellule est intégré au fonctionnement de l’appareil afin de garantir les conditions optimales d’analyse d’eau brute.
Caractéristiques d’exploitation des analyseurs
Outre les problèmes de sensibilité et d’interférence, l’une des caractéristiques communes à tous les analyseurs est d’éliminer les erreurs induites par le vieillissement et la dérive du capteur, au moyen d’un système automatique de nettoyage et de réétalonnage. De plus, les analyseurs s’autocontrôlent : ils vérifient en permanence la validité de la mesure et déclenchent un signal de défaut en cas de dérive notable. Il en résulte que les appareils satisfont à l’une des conditions les plus sévères qui figure au cahier des charges : présenter une fiabilité suffisante pour n’entraîner qu’une maintenance réduite de fréquence hebdomadaire.
Télétransmission et traitement des données
Les analyseurs qui équipent les stations d’alerte sont conçus de façon à contrôler.
vérifier en permanence la validité de la mesure, précaution indispensable pour éviter de fausses alertes qui entameraient très rapidement la crédibilité de ces équipements. C’est pourquoi, au-delà de la vérification permanente de la validité de la mesure, chaque analyseur qui constate un dépassement de seuil confirme cet incident avant de se déclarer en alarme. Il est légitime de parler de capteurs intelligents. Cette technologie, unique à l’heure actuelle, qui a été mise au point depuis dix ans par nos soins, s'applique aujourd’hui à tous nos analyseurs.
Chaque station d’alerte est dotée d’un automate et d’un dispositif permettant la gestion autonome des analyseurs et de leurs auxiliaires. Une ligne spécialisée est utilisée pour assurer l’interface entre l’automate et l'ordinateur central du poste de commande de l'usine concernée, où le suivi des résultats d’analyse est effectué en temps réel. C'est à ce niveau que sont rapatriées les alarmes de dépassement de seuils et que sont édités quotidiennement des journaux donnant l’état des valeurs instantanées et la moyenne journalière. Ce dispositif de consultation et de surveillance est doublé par un système comprenant un ordinateur à partir duquel il est possible à l’opérateur de commander les analyseurs : marche/arrêt, étalonnage, vérification des paramètres de fonctionnement. Cet ensemble est implanté chez les exploitants qui ont la charge de la maintenance des analyseurs.
Afin d’assurer la diffusion la plus large de l'information relative à la qualité de la ressource, il est possible d’interroger les stations d’alerte par un serveur Minitel : moyennant l'introduction d’un code d’accès, l’utilisateur dispose en temps réel de toutes les données chiffrées. C'est ce dispositif qui, en cas de dépassement d’un seuil d’alerte, compose automatiquement les numéros de téléphone des personnels d’astreinte et connecte instantanément le correspondant à la station d’alerte concernée pour assurer la transmission des valeurs incriminées.
Conclusion
Les analyseurs en continu de l'eau brute développés par la Compagnie Générale des Eaux, fabriqués et commercialisés par Hydro-Environnement présentent des caractéristiques de conception et d’exploitation qui leur valent une place de premier plan sur le marché mondial.
Cette volonté de précision et de fiabilité est un choix politique, qui obéit à une constatation de bon sens : un analyseur peu fiable ou qui déclenche des alarmes intempestives est très rapidement considéré comme inutile et abandonné. Ce n’est pas le cas des analyseurs qui viennent d’être présentés et qui demeurent en service dans tous leurs lieux de référence, notamment à Paris, en banlieue parisienne, sur le Rhône, le Rhin, à Padoue et à Venise...
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