La turbidité de l'eau est un paramètre à surveiller de très près à chaque étape de la filière de l'eau. Judicieusement placé, le turbidimètre fournit de précieux renseignements quant à la qualité d'un traitement d'eau potable ou usée. Il surveille aussi le bon déroulement du procédé de traitement. Encore faut-il correctement choisir l'appareil en fonction de son besoin.
En France, l’eau de consommation, pour être potable, ne doit pas dépasser 2 FTU (voir encadré 1). C’est la loi. Actuellement, de nombreux exploitants sont plus sévères. Ils anticipent la directive européenne en préparation et livrent un produit dont la turbidité ne dépasse pas 0,5 FTU. C’est le cas de Sagep qui estime qu'une eau de turbidité supérieure à 0,5 FTU peut présenter un risque de contamination par les micro-organismes (voir L'Eau, L'Industrie, les Nuisances n° 210, mars 1998, page 31 à 38). « Sur notre site d'Ivry-sur-Seine, nous travaillons avec une turbidité comprise entre 0,06 et 0,1 FTU », explique Antoine Montiel, responsable de la mission scientifique pour la qualité de l'eau à Sagep. Il faut donc pouvoir mesurer des concentrations de quelques dizaines de particules par millilitre.
C'est la turbidité qui permet de mesurer le caractère plus ou moins trouble d’un liquide. D’après la norme AFNOR NF T90-033 de juin 1992, la turbidité est la réduction de la transparence d'un liquide due à la présence de matières non dissoutes. La mesure de ce paramètre appréhende la teneur en matériaux légers en suspension dans le fluide. Précieux auxiliaire du traiteur d’eau, la mesure de turbidité est un excellent indicateur qui possède une couverture totale dans le temps. Elle s’adapte facilement sur tous
Les sites fonctionnent 24 heures/24 pendant 365 jours. Son temps de réponse est immédiat.
Malgré ces avantages, la mesure de turbidité n’occupe pas encore la place qui lui revient. Mais aujourd'hui, même si la mesure des MES par turbidité n’est pas encore reconnue par les normes, des besoins très différents sont là.
Répondre à des besoins différents
Si une eau claire n’est pas obligatoirement potable, une eau turbide, elle, ne l’est pas du tout. D’où l'intérêt de placer une mesure de turbidité aux points clés.
Sur l'eau potable, le turbidimètre travaille le plus souvent en limite basse et il surveille la ressource en eau. Pour les eaux de surface et les sources karstiques, il détecte immédiatement les fortes variations de turbidité liées à la pluie et au ruissellement, et déclenche les mesures qui s’imposent. Pour les eaux de forage (en général peu chargées) il contrôle les MES.
Sur les eaux usées, par contre, l'appareil travaille en limite haute. Il peut surveiller la qualité des rejets et se porte garant d'un bon traitement des MES. Pour Hervé Wacheux d’Anjou Recherche : « La turbidité en sortie de station d’épuration devrait être généralisée. C’est un critère de qualité du traitement ».
Entre ces deux étapes du cycle de l'eau, de nombreuses applications de process peuvent intégrer les turbidimètres : cet appareil peut contrôler l'efficacité des filtres, détecter les départs de boues, vérifier l’intégrité des membranes… et même piloter le procédé de traitement des boues.
Dans son Guide pour l'instrumentation des stations d’épuration, l’Agence de l’Eau Seine-Normandie explique : « Plusieurs études ont montré que la turbidité en sortie de station d’épuration à boues activées de moyenne ou faible charge était bien corrélée (R > 0,9) aux MES ainsi qu’à la DCO. La relation entre turbidité et MES en entrée de station d’épuration urbaine est un peu moins bonne et varie par temps de pluie. Quant à la relation entre turbidité et MES dans les bassins de boues activées elle est de qualité suffisante pour conduire l’usine ».
En entrée de STEP, la concentration des MES atteint 500 à 800 mg/l par temps sec alors qu’en sortie, elle est généralement proche de 35 mg/l. Pour l'eau potable, on cherche à surveiller des concentrations de quelques dizaines de particules par millilitre, alors que dans les boues, la concentration de matière sèche atteint plusieurs grammes par litre. Alors autant dire que l’on ne retiendra pas le même appareil d'une application à l’autre.
Choisir l'appareil en fonction de l’application
La mesure de turbidité est une mesure optique. Deux phénomènes sont exploités.
D’où l’intérêt, pour comparer les mesures, de toujours positionner le capteur de la même façon, par rapport au faisceau incident.
Pour la mesurer en ligne :
- l’absorption de l’intensité lumineuse dans l’axe optique sur un trajet optique connu,
- la diffusion de la lumière par les particules.
Cependant, cette mesure est rendue difficile car l’atténuation lumineuse n’est pas linéaire. De plus, l’absorption de la lumière n'est pas un phénomène lié exclusivement à la présence de particules en suspension. Certaines molécules, la couleur du milieu sont deux paramètres qui influencent cette mesure.
En présence d’une faible turbidité, l’absorption est faible, ce qui entraîne des variations du signal très petites. Ces dernières sont difficiles à détecter. L’absorption est donc plutôt réservée à la mesure des concentrations élevées. Ce principe est utilisé par exemple par le modèle Monitek type 22 d’Assa ou le HC 300/TxPro-H de Polymetron, proposé par Zellweger pour mesurer la concentration des boues.
Pour les valeurs moins élevées, on préfère la mesure par diffusion. Cette technique permet de prendre en compte les particules invisibles à l’œil nu, comme les matières colloïdales. Le profil de diffusion d'une particule dépend d'abord de sa taille et de la longueur d’onde de la source lumineuse utilisée. Plus la longueur d’onde est petite, plus l’effet de diffusion est fort. Un phénomène de diffusion fort facilite la mesure. Mais, comme l’absorption augmente pour les petites longueurs d'onde, on utilise dans la pratique des sources de lumière infrarouge dont la longueur d’onde est voisine de 880 nm (infrarouge lointain).
Dans les mesures en diffusion, l’angle sous lequel est effectuée la détection est important. Il conditionne la valeur de la mesure car la diffusion particulaire n’est pas la même dans toutes les directions. Par exemple, sur une même solution dosée à la Formazine, on relève 2,25 ppm de SiO₂ sous un angle de 25°, 3,25 ppm sous 90° et 7,5 ppm sous 135°. Depuis sa sortie, la norme ISO 7027 a mis un peu d’ordre dans cette pratique. La plupart des appareils travaillent aujourd’hui en lumière infrarouge et mesurent la lumière diffusée à 90° de l'axe d’émission. Ce principe est appliqué pour les mesures jusqu’à quelques milliers de FTU. Mais, dans la pratique, au-delà de 1 000 FTU, on est dans un domaine de concentrations fortes de MES qui justifie une calibration sur un échantillon (agité, stabilisé) dont le poids en matières sèches est connu. En effet, la réponse optique d’une eau à 3 g/l de boues d’aération, par exemple, est sans commune mesure avec la réponse d’une solution de 2 000 ou 4 000 FTU de formazine, blanche comme du lait.
Dès que la turbidité augmente, il est possible de travailler en lumière rétrodiffusée. Il faut toutefois noter que, dans un milieu très absorbant, la mesure en rétrodiffusion s'impose, avec un émetteur et un récepteur.
Extrêmement rapprochés. Par ailleurs, à cette occasion, un autre problème risque de se révéler : en fermentant, les MES changent de couleur, ce qui joue sur la turbidité…
Pour lutter contre ce problème des solutions existent. Le Turbilight de Seres et le Solitax de Dr Lange apportent une solution. Dr Lange propose un principe de mesure combinant lumière diffusée et absorption infrarouge. « Ceci garantit une détermination précise et continue de la turbidité selon EN 27027, sans influence de la coloration ». Certains constructeurs, comme Seres, compensent les atténuations dues au vieillissement de la diode et à la couleur des MES ou de l’eau par une mesure à 180°, qui vient en complément de la mesure de diffusion à 90°.
Calibrer et étalonner
L’information fournie par le turbidimètre n’est pas donnée en unité de lumière transmise ou diffusée, mais en concentration d’un matériau de référence en suspension. Jusqu’à ces dernières années, ce matériau était une poudre de kaolin, un matériau naturel dont la qualité varie d’un pays du monde à l’autre, ce qui pose des problèmes d’inter-comparaison métrologique. Aujourd’hui les normes internationales ont retenu la formazine. Les solutions étalon de formazine sont préparées selon la procédure décrite dans la norme ISO 7027. En règle générale, les capteurs sont étalonnés à la formazine en usine, c’est-à-dire en laboratoire.
Cependant, cet étalonnage ne suffit pas toujours pour relier l’information turbidité à la concentration en MES. La relation entre ces deux grandeurs n’est pas directe. « Il faut relier la valeur du signal à la concentration des boues, souligne Olivier Pichon d’Endress+Hauser, et entrer cette information dans la mémoire du capteur ». Pour des mesures de concentration avec des échantillons spécifiques comme la boue, il faut faire un étalonnage dynamique avec des échantillons du milieu. Celui-ci définit la courbe caractéristique sur toute la gamme de mesure du capteur.
Un étalonnage régulier est toutefois nécessaire. Il permet de vérifier la dérive du turbidimètre, dérive provoquée par le vieillissement des composants optiques et l’encrassement des fenêtres.
« Pour réaliser cet étalonnage sur site, on devrait se servir d’une solution de formazine, explique Hans Rhyn, gérant de Sigrist, mais cette solution n’est pas facile à mettre en œuvre, elle est instable dans le temps et l’on soupçonne l’adrazine d’être cancérigène. C’est un problème ».
Pour remédier à cette situation, les appareils sont de plus en plus nombreux à intégrer une mesure multifaisceaux pour compenser l’instabilité photométrique. ABB, Dr Lange, Endress+Hauser, Monitek (Assa), Sigrist, Staiger Mohilo (Véga), Polymetron (Zellweger)… ont adopté cette approche.
Sigrist va même plus loin en proposant depuis février 1998 un turbidimètre référencé WTM500 réalisant automatiquement un étalonnage quotidien. Dans ce but, le bloc optique pivote (à intervalle programmé) sur un corps de référence solide dont la turbidité est parfaitement définie. L’appareil s’ajuste puis revient en position de mesure. L’instabilité des composants optiques étant corrigée, il reste à traiter les problèmes d’encrassement des hublots.
Lutter contre l’encrassement
En dix ans de tests capteurs, sur site et en laboratoire, Anjou Recherche s’est forgé une opinion sur l’encrassement des turbidimètres. Hervé Wacheux explique : « Certains appareils dérivent d’un facteur deux, car ils n’ont pas de système d’autonettoyage mécanique. Aujourd’hui, le plus efficace est le racleur mécanique, essuie-glace ou raclage par piston, qui nettoient la cellule à fréquence programmable. Par contre, les ultrasons… »
sons sont inefficaces sur les bactéries.
Il est toutefois possible, dans certains cas, de se dispenser de l’autonettoyage, même si le capteur est installé dans le bassin de boues activées. Il suffit qu’il soit placé dans un endroit turbulent, à proximité d’une turbine par exemple. Par contre, sur les canaux d’entrée ou de sortie de station, l’agitation n’est pas suffisante. Pour optimiser l’autonettoyage et assurer une distance suffisante d’une paroi, Endress+Hauser a biseauté la face de mesure de son capteur de turbidité. Ceci n’empêche pas, après la première mise en service, de vérifier régulièrement l’encrassement du capteur. S’il y a un problème de fond, il faut prévoir un nettoyage mécanique plus une intervention manuelle régulière.
Actuellement, la plupart des turbidimètres du marché sont équipés d’un système de nettoyage mécanique. En STEP, l’efficacité de ce système est souvent compromise par les flottants et filasses, surtout en tête de filière. Les constructeurs se sont penchés sur le problème pour proposer du matériel plus robuste. Endress+Hauser, par exemple, a mis en place sur ses nouveaux capteurs un essuie-glace à came que l’on peut changer facilement. Ponselle-Mesure ou Seres ont opté pour un nettoyage par piston racleur à séquence réglable.
Pour lutter contre l’encrassement, Sigrist a résolu le problème en développant une mesure sans contact. L’eau à mesurer alimente un récipient spécialement conçu pour former un jet vertical régulier. Il élimine d’éventuelles bulles d’air et produit par son trop-plein une charge hydraulique constante. L’eau tombe sans aucun contact dans le bassin.
La source lumineuse IR émet un faisceau modulé qui pénètre par la surface du récipient dans l’axe du jet d’eau. Il produit la diffusion de lumière en fonction de la turbidité tout au long de son trajet. Pour réaliser la mesure, deux récepteurs captent la lumière diffusée à des hauteurs différentes. Le rapport des deux mesures permet de corriger les effets d’une coloration et la dérive de l’appareil. « Cette technologie permet de mesurer des turbidités très faibles », explique Hans Rhyn, « la mesure peut être réalisée entre 0,001 et 500 FNU ».
Les autres paramètres du choix…
L’implantation
En mesure de turbidité, l’implantation du capteur est importante. Elle conditionne la justesse de la mesure. En entrée de station par exemple, on peut observer une stratification des matières en suspension qui peut fausser la mesure. De plus, celle-ci peut être influencée par les plastiques, des bulles d’air, des graisses présents dans l’effluent. Alors comment installer le turbidimètre ? Chaque solution présente des avantages et des inconvénients. Le montage déporté facilite la maintenance et le nettoyage manuel de la cellule. Cependant il faut construire des hydrauliques d’amenée et il se pose le problème de la représentativité de l’échantillon.
Quand c’est possible, l’implantation in situ semble être la meilleure solution pour les traiteurs d’eau.
L’exploitation des résultats…
L’appareil assure-t-il un simple contrôle ? Conduit-il une installation ? Souhaite-t-on déporter sa mesure en salle de contrôle ? Ses données sont-elles exploitées par d’autres instruments ? Toutes ces questions devront trouver une réponse. Celle-ci conditionnera le choix de l’électronique (simple capteur, transmetteur, régulateur) et des protocoles de dialogue avec les autres appareils du site.
L’environnement du capteur…
Où doit-on monter le capteur ? En extérieur ? Dans une salle ? Est-il placé à l’abri des intempéries, du soleil ? Fonctionnera-t-il en période de gel ? Toutes ces interrogations sont importantes, car dans le métier de l’eau, le turbidimètre est souvent monté dehors. Il se pose alors les problèmes de contraintes climatiques : humidité, pluie, corrosion, haute température en été, gelée en hiver. Le turbidimètre doit rester impassible devant ces contraintes.
Fabricant Référence Principe de mesure Application principale
ABB Instrum. Kent Taylor
Bamo Mesures
Chelsea Instruments (Nereides)
Chelsea Instruments (Nereides)
Cifec
Cifec
Cifec
Cifec
Dr Lange
Endress + Hauser
Endress + Hauser
Hach (Prolabo)
Hach (Prolabo)
Hach (Prolabo)
Hach (Prolabo)
Hach (Prolabo)
Hanna Instruments
HF Scientific (JMR Instruments)
HF Scientific (JMR Instruments)
Horiba Ltd
Malvern Instruments
Meggitt Mobrey (Mobrey SA)
Mettler Toledo
Monitek (Assa)
Monitek (Assa)
Monitek (Assa)
Optek (Mesures de Traces)
Optek (Mesures de Traces)
Ponselle Mesure
Ponselle Mesure
Ponselle Mesure
Rosemount Analytical (Fisher Rosemount)
Royce (Cometec)
Sensortechnik (Roucaire)
Seres
Sigrist Photometer
Staiger-Mohilo (VEGA Technique)
Staiger-Mohilo (VEGA Technique)
Zellweger Analytics
Zullig
4670
Turbomat GS
Minitracka I
Aquatracka III
TP 20CE modèle 1997
T131
T132
T112
ULTRATURB EU
CUS 41
CUS 31
2100P
2100 AN/IS/NIS
1720D
SS6 et SS8/SE
1900WPC
HI 93703
Micro 200 / 200 BW
Micro 100
U-10
MS 2000
Turbitech 2i
FSC 402/11
25SHC et 22SLC/CT8/CC2A
SS7 Profiler
TST - SC
556 TF/TF 16
116 AF/116
PB TRANS/REG2
TU TRANS/REG
T1054 - A2120
7011 A
SSNT Turbilight
WIM 500
7100 MTF avec sonde 7530 SSN
7160 TMF
TyPro 2
Cosmos
Mesure par dispersion de lumière sous un angle de 90°
Mesure de la lumière diffusée à 90° et diffractée à 180°
Mesure de la lumière diffusée à 90°
Mesure par transmission à 180°
Mesure de la lumière IR dispersée à 90°
Néphélométrie multifaisceaux utilisant la norme DIN/ISO 7027
Néphélométrie multifaisceaux utilisant la norme DIN/ISO 7027
Mesure du rapport lumière dispersée sur lumière transmise
Mesure de la turbidité selon norme NF EN 27027
Mesure du rapport lumière dispersée sur lumière transmise
Néphélomètre conforme aux critères de la méthode USEPA 180.1
Compteur de particules en ligne. Mesure de l'extinction de la lumière
Mesure de la lumière diffusée à 90° selon ISO 7027
Mesure de la lumière diffusée à 90°
Mesure conforme à la méthode USEPA 180.1
Néphélomètre, mesure de la lumière transmise et réfléchie à 30°
Diffraction laser
Lumière IR dispersée à 90°
Diffusion arrière, ce turbidimètre mesure l'intensité de la lumière rétrodiffusée par les particules.
Absorption de la lumière Visible-IR
Réflexion d'un faisceau IR
4 faisceaux lumineux alternés
Lumière diffusée à 11°
Absorption de la lumière IR
Absorption optique IR à 180°
Absorption optique IR à 180°
Turbidité néphélométrique par lumière IR, réception de la lumière diffusée à 90° et de la lumière transmise à 180°
Néphélomètre, mesure de la lumière transmise et réfléchie à 30°
Absorption de lumière sur trajet direct
Faisceau IR, Détection à 90°
Néphélométrie IR
Diffusion de lumière à 90°
Lumière IR diffusée à 90°
Lumière IR diffusée à 90°
Lumière IR diffusée à 90°
Diffusion de la lumière à 90°
Liquides très chargés
Laboratoire
Eau potable, eau de surface
Eau brute
Eaux claires, eau potable, eaux de surface
STEP entrée et sortie, concentration des boues
Eau potable et eau de process
Eau de surface, effluent
Eau potable et eau de process
Eau potable, eau ultrapure
Eau de surface, effluents en sortie de station
Eau de process de filtration
Eau potable, eau de surface, effluents
Eau de surface, effluents en sortie de station
Eau potable, eau de surface
Eaux de surface, eaux usées
Eaux usées fortement chargées
Effluents
Surveillance des eaux usées industrielles
Mesures de concentration
Mesure du voile de boue, profil de bassin
Eaux potables et usées
Filtration, séparations, émulsion, eau de process, eau potable
Filtration, séparations, émulsion, eau de process
Mesure de concentration de MES
Turbidité ou concentration de MES, Contrôle en sortie de STEP
Contrôle continu des eaux potables ou de faible turbidité
Production d'eau potable : eau brute, décantée, filtrée
Effluents, eaux de surface
Eau potable
Eau potable, décantée, filtrée
Entrée ou sortie de STEP, eau de rivière, industrie
Entrée ou sortie de STEP, eau de rivière, industrie
Eau résiduaire, rejet
Entrée/sortie STEP eaux de rivière, industrie, concentration MES
