L'Institut de Recherches Hydrologiques I.R.H. de Nancy

L’origine de l’I.R.H. se trouve dans la fondation en 1932, à Nancy, de la Station de Recherches Hydrologiques par M. le Docteur Marcel VERAIN, médecin biologiste, en complément à son propre laboratoire d'analyses biologiques et médicales. La vocation initiale et les activités principales de cette section spécialisée concernaient l’analyse physico-chimique, chimique et bactériologique des eaux, ainsi que l’étude des interactions entre les eaux potables et les matériaux et leurs conséquences sur l’être humain (saturnisme) et sur les installations (agressivité, entartrage, corrosion).

Le laboratoire disposait alors des moyens d’analyse chimique instrumentale les plus évolués de l'époque, notamment la polarographie peu après sa découverte.

Au fil des années, ces activités se développèrent notamment pour satisfaire aux besoins en matière d’eaux d’alimentation, tandis que l’évolution et le renforcement de la législation faisaient apparaître de nouveaux besoins concernant l’analyse et le traitement des eaux usées. À la suite de ces développements, les moyens existants se révélèrent insuffisants, notamment les locaux devenus trop exigus pour accueillir le matériel et le personnel nécessaires au développement des activités.

C'est en 1953 que fut fondé l'Institut de Recherches Hydrologiques sous sa forme juridique actuelle, S.A.R.L. dont les associés sont principalement les industriels de l'Est de la France. De cette époque date la construction des locaux actuels, situés dans un quartier résidentiel de Nancy, 10, rue Ernest-Bichat, et dont l’aménagement fut terminé en 1955.

De 1953 à 1959, la direction fut assurée par M. le Docteur VERAIN, ayant comme adjoint M. Georges NOISETTE, éminent Ingénieur-Chimiste et Géologue dont la personnalité est bien connue dans le « monde de l'Eau ».

En 1959, au départ en retraite du Docteur VERAIN, M. NOISETTE assuma la direction de l’I.R.H., qu'il conserva jusqu’en 1972, date où M. Georges KISFALUDI, Docteur ès Sciences, spécialiste en chimie analytique, lui succéda. De cette époque, nous retiendrons une impulsion donnée à la recherche et un développement marqué de celle-ci, qui se concrétisa par la soutenance, en 1964 et 1969, des thèses de Doctorat ès Sciences de MM. COLIN et BOEGLIN.

Les dernières années ont vu une nouvelle extension du champ d’activités de l’I.R.H. :

• — Études de schémas directeurs d’assainissement d’établissements et de complexes industriels,
• — Étude des problèmes d’élimination des déchets solides (activité initiée par la résolution des problèmes plus spécifiquement liés aux boues résiduaires),
• — Participation à des études d’impact au sein d’une structure pluridisciplinaire,
• — Développement des activités situées en aval des recherches et études (assistance technique).

Il en résulte que la dénomination d'Institut de Recherches Hydrologiques, dont la réputation et la notoriété justifient le maintien, ne recouvre que très imparfaitement les activités actuelles de l'I.R.H. qui se veut un centre d’études et de recherches appliquées dans les multiples domaines de l’Eau et de l’Environnement.

L’année 1976 a vu la création du Laboratoire d’Alsace de l'I.R.H. à Colmar, par suite du développement des activités dans cette région. D'autre part, une station d’essais a été aménagée en 1977 à proximité de Nancy (Marbache), où sont regroupés les matériels pilotes semi-industriels.

À l'heure actuelle, l’effectif global de l'I.R.H. se compose de 42 personnes, dont 3 Docteurs ès Sciences, 6 Ingénieurs, 26 Techniciens et Techniciens supérieurs, et 7 personnes affectées aux services administratifs et généraux.

L'expansion continue de l'I.R.H. s’illustre par le fait que le volume de ses prestations, exprimé en francs constants, a quintuplé dans les sept dernières années.

Les parts sociales de l'I.R.H. sont détenues par les sociétés ou organismes suivants :

• — Association Française pour l’Étude des Eaux,
• — Association des Utilisateurs d’Eau des Bassins de la Meurthe, de la Moselle et de la Meuse,
• — Centre de Recherches de Pont-à-Mousson,
• — Centre Technique des Industries de la Fonderie,
• — Chambre Syndicale des Mines de Fer de France,
• — Laboratoire d'Étude et de Contrôle de l'Environnement Sidérurgique,
• — Pont-à-Mousson S.A.,
• — Rhône-Poulenc-Industries,
• — Solvay et Compagnie.

Cette répartition explique dans une large mesure l'ouverture de l'I.R.H. sur le monde industriel.

Indépendant de tout constructeur, fournisseur de procédé, de matériel ou de produits, l'I.R.H. offre ses services sous une forme très diversifiée, allant de toute analyse d'eau effectuée à la demande jusqu’à la recherche appliquée effectuée sous contrat, en passant par l’établissement de schémas-directeurs de dépollution d'usines ou zones industrielles importantes, la définition et le dimensionnement de filières de traitement, la préparation d’avant-projets et l’assistance technique au suivi d’installations existantes. Ces travaux sont le plus souvent réalisés sur devis et pour un coût forfaitaire.

LES ACTIVITÉS DE L'I.R.H.

Bien qu'un tel classement soit toujours quelque peu arbitraire, il est possible de regrouper schématiquement les différentes activités de l'I.R.H. sous les rubriques suivantes :

• — Analyse et caractérisation des eaux d’alimentation, industrielles et résiduaires,
• — Études et interventions à court terme,
• — Études à long terme et recherche appliquée.

ANALYSE ET CARACTÉRISATION DES EAUX

Constituant l’activité principale de l'I.R.H. lors de ses premières années d’existence, l'analyse des eaux a vu son importance relative décroître, malgré une augmentation en valeur absolue du volume de travail correspondant. À l'heure actuelle, tout en maintenant sa propre finalité (en 1977, les analyses effectuées en tant que prestations de services ont constitué 17 % de l’activité globale), elle est devenue un outil de base indispensable au développement des autres activités (assistance technique, études, recherche appliquée).

L’analyse des eaux potables

Ces analyses sont surtout effectuées pour déterminer la potabilité des eaux, ce qui fait appel à des techniques analytiques aussi bien physico-chimiques que chimiques et bactériologiques. En outre, les résultats obtenus et l’expérience acquise en matière d'étude et de recherche permettent une interprétation détaillée, en rapport avec les risques de phénomènes tels que l’entartrage, l’agressivité, la corrosion et la formulation de recommandations de traitements correctifs si nécessaire. En tant que laboratoire régional agréé par le Ministère de la Santé, l'I.R.H. effectue les analyses prescrites par la législation : analyses détaillées pour la réalisation de captages et adductions, analyses plus sommaires périodiques de contrôle chimique et bactériologique des distributions existantes.

L’analyse des eaux industrielles de process

Cette activité fait appel aux mêmes techniques analytiques que la précédente, mais elle est davantage orientée vers les problèmes d'adéquation de l'eau aux différents usages industriels auxquels on la destine. C’est ainsi que l’on recherchera et dosera certains éléments susceptibles de perturber les processus de fabrication ou la qualité des produits finis.

De même seront envisagés les paramètres en rapport avec certaines difficultés possibles d'exploitation. Par exemple, en matière de corrosion : analyses ioniques, recherche de bactéries sulfato-réductrices, sulfobactéries, ferrobactéries, identification et analyse des produits de corrosion, dépôts, etc.

L’éventail des déterminations et analyses que nous pouvons effectuer dans ce cadre est extrêmement vaste et se développe constamment pour répondre aux demandes qui nous sont faites.

L’analyse des eaux naturelles, superficielles et souterraines

Outre des interventions ponctuelles (analyses préliminaires destinées à évaluer les possibilités d'utilisation de ces eaux et les traitements requis, analyses et expertises consécutives à des pollutions accidentelles), l'I.R.H. participe à des opérations de surveillance et d'inventaire organisées systématiquement par les administrations et organismes responsables de la gestion de l'eau au niveau des bassins hydrographiques et à l'échelle nationale et internationale. Nous citerons plus particulièrement :

• — l'inventaire national du degré de pollution des eaux superficielles,
• — la surveillance des stations permanentes du réseau national, celles du réseau complémentaire de certains bassins hydrologiques, et enfin celles du réseau international (contrôle pour les Commissions Internationales de Protection du Rhin, de la Meuse et de leurs affluents),
• — la participation des laboratoires d'analyse de l'I.R.H. aux études d'impact écologique : établissement de l’état de référence de sites avant implantations ou aménagements susceptibles d'affecter le milieu aquatique, suivi écologique des mêmes sites.

L’analyse des eaux usées urbaines et industrielles

Ce type d’analyse est un élément indispensable des bilans de pollution établis soit en vue du dimensionnement d'installations d'épuration, soit en vue de l'adoption de mesures préventives de réduction des débits et pollutions.

L'I.R.H. bénéficie pour ces analyses d'agréments officiels, qui attestent de son impartialité et de la fiabilité des résultats qu'il fournit : agrément de l'Agence Financière de Bassin Rhin-Meuse pour les analyses entrant dans l’établissement de l'assiette des ressources de pollution, agrément des Services de l'Industrie et des Mines des régions lorraine et alsacienne pour le contrôle des établissements classés.

Ces multiples tâches analytiques sont rendues possibles par l'utilisation de méthodes analytiques instrumentales modernes.

Spectrophotométrie U.V., visible, I.R., fluorescence U.V., spectrophotométrie d’absorption atomique avec four Massmann, permettant le dosage des métaux au niveau du microgramme par litre, chromatographie en phase gazeuse avec détection par ionisation de flamme et par capture d’électrons, D.O. mètre, analyseurs de carbone total et organique, photomètre à bioluminescence, ultracentrifugeuse, chaîne de titrage automatique, microscopie à contraste de phase. Il faut y ajouter 5 véhicules-laboratoires munis de moyens de prélèvements, enregistrement continu et analyse.

Enfin, I.R.H. a accès, auprès de laboratoires avec lesquels il collabore, à des matériels tels que : microscope électronique à balayage, spectromètres à étincelles et à rayons X (diffraction et fluorescence).

ETUDES ET INTERVENTIONS À COURT TERME

Nous regrouperons ici les activités, plus complexes que de simples analyses, destinées à permettre la résolution des problèmes immédiats qui se posent en matière d’alimentation en eau, de traitement, d'emploi, d'utilisation, d’épuration, aussi bien au niveau des divers types d’utilisateurs : particuliers, collectivités locales, industriels, qu’à celui des administrations chargées de la gestion, du contrôle et de la police des eaux.

Le traitement des eaux d’alimentation domestiques et industrielles.

Ces eaux doivent satisfaire à de stricts critères de qualité définis en fonction de leur usage. Dans le cas des eaux destinées à la consommation humaine, ces exigences sont définies sans ambiguïté par la législation. Au contraire, pour les eaux à usage industriel, la situation doit souvent être étudiée cas par cas, en faisant intervenir non seulement des considérations générales liées au type d’activité, mais également des facteurs locaux (conception des installations existantes, modes d’utilisation, nature des matériaux constitutifs des installations), si bien que la définition de la qualité des eaux à atteindre peut être intégrée dans le cadre de l'étude.

La connaissance des critères de qualité, confrontée aux caractéristiques analytiques des eaux disponibles, met en évidence l'opportunité de réalisation de traitements destinés à fournir en quantité suffisante des eaux de qualité adéquate. La réalisation de traitements est d'autant plus souvent nécessaire que, devant l'accroissement constant des besoins et la disponibilité limitée en eaux de bonne qualité d'origine souterraine, il est nécessaire de recourir, pour satisfaire les besoins quantitatifs, à des eaux superficielles (rivières, lacs...) très vulnérables à la pollution.

En ce qui concerne les traitements destinés à rendre l'eau potable, les techniques à mettre en œuvre sont suffisamment connues et l’expérience acquise est assez importante pour que, dans la majorité des cas, il ne soit pas nécessaire de recourir à une étude expérimentale. Par contre, cette démarche peut se révéler indispensable, surtout dans le domaine industriel, dès lors que les eaux à traiter présentent des caractéristiques particulières, par exemple en conséquence d'un type de pollution spécifique, ou que les critères de qualité de l'eau à distribuer sont inhabituellement sévères (cas d'industries de pointe comme l'électronique), ou enfin que des exigences contradictoires rendent nécessaire une optimisation technique ou économique.

Dans tous ces cas, I.R.H. est amené à proposer une étude de définition de filière de traitement, comportant :

— la comparaison, à l'échelle du laboratoire et de l'installation pilote, des différentes solutions classiques (neutralisation, coagulation, floculation, précipitation chimique, filtration sur sable, adsorption par charbon actif, déminéralisation ou adoucissement par échange d'ions, stérilisation par voie physique ou chimique, etc.) ou non conventionnelles (utilisation de réactifs particuliers, mise en œuvre de techniques de décantation lamellaire, flottation, filtration multicouche, ultrafiltration, osmose inverse, etc.),

— la détermination des performances atteintes en fonction du dimensionnement des ouvrages, des doses de réactifs mises en œuvre, des paramètres de fonctionnement, de la variabilité des eaux à traiter,

— l'optimisation technique et économique des différentes filières utilisables,

— le choix définitif d'une filière en fonction de critères technico-économiques et de l'adaptabilité aux conditions locales, notamment aux contraintes d’exploitation.

L'étude peut enfin porter sur l’évaluation des conséquences du traitement vis-à-vis d'autres problèmes que celui dont la résolution immédiate est demandée, par exemple l'influence d'un traitement de conditionnement chimique sur la corrosivité ou la tendance à l’entartrage d’eaux en circulation.

La gestion de l'eau dans les industries.

Outre le fait qu’une étude portant sur l'utilisation de l'eau dans une usine et sur les modifications des procédés, outils de travail et circuits de distribution et de collecte, en permet-

ble sinon indispensable, tout au moins économiquement rentable pour la résolution d'un problème d’épuration, une telle démarche peut se justifier en soi dans les cas suivants :

• — problèmes temporaires d'approvisionnement en eau, en période d'étiage par exemple,
• — coût élevé de l'eau d'alimentation ou de son traitement préalable,
• — extension des installations consommatrices d'eau face à une ressource limitée.

Pour la résolution de ces problèmes, l'I.R.H. a mis au point et applique une méthodologie d’étude comportant les étapes suivantes :

• * Un bilan détaillé de la situation existante, consistant à mettre en évidence dans l’usine les diverses utilisations de l'eau et les débits qu’elles requièrent, à relever le schéma des circuits et postes d'utilisation existants, et à déterminer la qualité de l'eau aux différents niveaux des circuits.

  Une telle démarche diffère dans sa finalité du simple bilan de pollution, trop souvent effectué uniquement au niveau du collecteur général de l’usine, dans le souci immédiat de dimensionner une station de traitement. La prise en compte des caractéristiques de l’effluent global, sans se préoccuper de son origine, conduit souvent à des dimensionnements d’installation et à des coûts d'exploitation excessifs. Il s‘agit ici d'intervenir le plus en amont possible, au niveau des utilisations et des rejets élémentaires, pour les caractériser et surtout suivre leur évolution au cours du temps.

  Pour ces travaux, l’I.R.H. dispose d'une équipe spécialisée, expérimentée dans ce domaine et rompue aux conditions de travail difficiles imposées par la conception des installations, leur mode d'utilisation, et la nécessité de ne pas perturber l'exploitation. Lors de son intervention, cette équipe dispose du matériel pour mesurer en continu et simultanément en plusieurs points (en pratique 5 ou 6) les débits, certains paramètres, tandis que d'autres ne sont accessibles que par l’analyse d'échantillons fournis par des préleveurs automatiques.

  Ce bilan s'accompagne d'une enquête générale sur les conditions de fonctionnement et de production de l’usine.

• ® La définition des besoins qualitatifs et quantitatifs pour chacun des usages industriels de l'eau, en tenant compte de l’incidence de la qualité de l'eau sur la qualité du produit fabriqué, le rendement des opérations industrielles, les consommations en réactifs, fluides, énergie, et des spécifications imposées aux machines et matériaux.
• ® Définition de modifications à apporter aux circuits existants :

  Les modifications proposées se fixent pour but soit la réduction de la consommation globale en eau, soit la réduction des débits d'eaux usées à traiter ou de la quantité de pollution qu’elles contiennent.

  Les études que nous menons dans ce cadre consistent à comparer différents aménagements possibles des circuits par mise en œuvre d'utilisations de l'eau en cascade, de recyclages plus ou moins poussés, de séparation de rejets en fonction de leurs caractéristiques. Cette comparaison s'effectue en tenant compte non seulement de la localisation et de l'importance des besoins, mais également du coût des modifications, de leur incidence sur la qualité de l'eau et de leurs répercussions possibles pouvant conduire à l’intégration de traitements et de conditionnements d'eau au niveau même des circuits.

  La définition de tels traitements ou conditionnements (lutte contre l'entartrage, la corrosion, les salissures biologiques, le dépôt de matières en suspension) fait partie intégrante de l'étude.

  Les différents schémas d'utilisation de l'eau font l'objet d'une optimisation économique, réalisée en étroite collaboration avec un bureau d'études, qui peut être celui de l’industriel ou un organisme extérieur, par exemple le Bureau d'Etudes Fluides et Structures (B.E.F.S.) avec qui nous travaillons habituellement.

L'épuration des eaux usées industrielles.

Depuis une vingtaine d’années, l'I.R.H. mène des études destinées à définir les filières de traitement d'eaux usées industrielles et les filières de traitement et d’élimination des boues résiduaires qui en résultent. Les moyens consacrés à cette tâche ont été considérablement renforcés au cours des dernières années, notamment par la réalisation ou l’acquisition d’un nombre important d’installations pilotes semi-industrielles mobiles.

Nous considérons que la résolution des problèmes de pollution conduit à intervenir aux différentes étapes, qui sont la génération de la pollution au niveau du process industriel, la collecte des effluents, leur traitement, l’élimination des déchets qui en résultent, et que la filière de traitement choisie doit être le résultat d'une optimisation technico-économique de l’ensemble collecte/traitement/élimination des boues et déchets.

L’étude type d'un problème de pollution industrielle, telle que nous la menons à l’I.R.H., consiste

• ° à définir qualitativement et quantitativement la pollution et ses fluctuations au cours du temps,
• à proposer des méthodes préventives suivant la démarche exposée précédemment,
• ° à définir chaque fois que nécessaire les filières de traitement pouvant être mises en œuvre, par la réalisation :
  • — au niveau du laboratoire, d'essais permettant d'effectuer des choix rapides grâce à la mise en œuvre en parallèle d'un nombre élevé d'installations pilotes,
  • — sur le site lui-même, d'essais en installations pilotes industrielles, pour tester un nombre limité de filières définies à partir des essais précédents,
• ® à suivre une démarche absolument identique en ce qui concerne les boues résiduaires produites, puis à définir leurs possibilités d'élimination, notamment par évaluation des risques potentiels de mise en décharge ou d'utilisation agricole,
• ® à regrouper, sous la forme d'un rapport détaillé, l'ensemble des résultats obtenus pour permettre d’optimiser l'ensemble collecte - traitement - élimination des boues et déchets.

Ce rapport, complété par un cahier des charges et un appel d'offres émanant de l'industriel, et à l’établissement desquels peut participer l’I.R.H., pourra permettre de consulter directement des engineerings spécialisés ou constructeurs, qui établiront des avant-projets avec évaluations financières, dont le dépouillement et la critique permettraient de choisir le réalisateur des installations. Dans le cadre d'une telle procédure, l'étude de traitement que nous effectuons présente l’avantage évident de ne proposer que des procédés dont le fonctionnement et les performances seront prouvés et, d’autre part, d'assurer une homogénéité des réponses à l’appel d'offres, qui permettra de comparer beaucoup plus facilement les différentes propositions.

Après réalisation des installations, l’I.R.H. propose d’en assurer la réception par un bilan de pollution entrée/sortie, qui permet de s'assurer de la conformité du rejet traité, aussi bien que de celle des débits et charges de pollution admis.

En ce qui concerne les méthodes et matériels d'évaluation mis en œuvre au cours de ces études, nous insistons plus particulièrement sur ceux qui ont été mis au point ou construits à l’I.R.H., étant entendu que nous utilisons en outre les méthodes classiques abondamment citées dans la littérature.

L'étude de la cinétique de la biodégradation aérobie et de la toxicité est effectuée à l'aide d'un respiromètre simple et automatique mis au point à l’I.R.H., qui travaille sur un volume important de boues activées (10 litres) et ne présente pas les inconvénients du classique appareil de WARBURG.

Nous mettons d’autre part en œuvre une méthode d’évaluation de la toxicité, d'utilisation plus générale (milieux aérobie et anaérobie). Elle consiste à déterminer l'impact du rejet ou produit étudié sur la concentration en Adénosine-Tri-Phosphate (A.T.P.) de la boue activée considérée. Cette méthode met à

Profitant du fait que l'A.T.P. est un constituant universel des cellules vivantes (c'est sous cette forme que se trouve stockée l'énergie au niveau intracellulaire) qui en contiennent une quantité sensiblement constante, une mesure d'A.T.P. permet d'apprécier la biomasse effective contenue dans un échangeur de boue activée. Chaque essai consiste à déterminer l'évolution de l'A.T.P. au cours du temps, consécutivement à l'addition du rejet étudié à concentration déterminée. Les courbes représentatives des résultats permettent de mettre en évidence des phénomènes d'inhibition temporaire ou définitive, et de déterminer les domaines de concentration auxquels ils se manifestent.

Les mesures d'A.T.P. sont effectuées au photomètre à bioluminescence, après extraction quantitative préalable par une méthode de lyse chimique que nous avons optimisée.

L'estimation des performances d'épuration possibles par les traitements biologiques, en fonction des paramètres opératoires (charges appliquées), s'effectue à partir d'essais entrepris à l'échelle pilote de laboratoire (12 installations à boues activées, 9 à lits bactériens, 6 à réacteurs anaérobies fonctionnant dans des conditions rigoureusement contrôlées) permettant de tester un large éventail de charges et de conditions opératoires. Dans ces installations, l'évolution et l'acclimatation de la microflore épuratrice sont suivies par l'étude de caractères biochimiques (activités enzymatiques hydrolytiques et d'oxydo-réduction), par observation de la microfaune associée (protozoaires, métazoaires, etc.) et enfin par contrôle des grandeurs classiques de l'épuration. Après atteinte de l'état d'équilibre, les résultats d'exploitation de ces installations pilotes permettent d'estimer l'influence des débits et charges appliqués sur les performances d'épuration et de sélectionner rapidement les conditions les plus intéressantes, qui seront testées en installations pilotes semi-industrielles.

En ce qui concerne les traitements physico-chimiques, les techniques de neutralisation et d'oxydo-réduction sont étudiées au laboratoire par tracé automatique des courbes de titrage, qui révèlent l'évolution des équilibres physico-chimiques.

L'influence de facteurs tels que les durées de rétention et les cinétiques de précipitation, qui présentent une grande importance pratique, est étudiée en petites installations pilotes continues (réacteurs homogènes ou à écoulement en flux-piston).

La mise au point des traitements de coagulation et floculation requiert aussi bien des essais semi-empiriques (technique du jar-test) que le contrôle des paramètres physico-chimiques caractéristiques des interfaces entre phases à séparer (potentiel zêta). Le choix des réactifs et des conditions physico-chimiques de milieu étant effectué par ces méthodes, la cinétique d'agglomération des particules colloïdales est étudiée en installation pilote dans des conditions de température et d'hydrodynamique (gradient de vitesse) réglables à volonté.

Le dimensionnement de la décantation de suspensions de particules hétérogènes ayant parfois tendance à s'agglomérer s'effectue à partir d'essais consistant à déterminer le mouvement fictif de zones d'équiconcentration.

L'étude des techniques d'adsorption fait intervenir des essais statiques (tracé des isothermes d'adsorption en fonction des conditions physico-chimiques du milieu) ainsi que des essais dynamiques (essais en colonne pour l'étude de la cinétique d'adsorption, des fronts d'adsorption, fonction des vitesses de passage, de la hauteur de couche, etc.) et comporte enfin les essais de régénération des adsorbants. Nous pouvons suivre les essais de longue durée entrepris en colonne pilote grâce à l'installation d'un COT-mètre à vanne d'injection automatique fonctionnant comme appareil de process (un dosage toutes les 15 minutes).

En ce qui concerne les traitements par échange d'ions, les essais de laboratoire sont essentiellement dynamiques et aboutissent au choix des résines, vitesses de passage, hauteurs de couche, modes de régénération et détermination des capacités de fixation.

Enfin, nos possibilités d'étude ne se limitent pas aux techniques conventionnelles et nous pouvons faire appel, selon les cas, à des techniques telles que l'électrodialyse, l'ultrafiltration, l'osmose inverse, l'extraction liquide-liquide, l'échange d'ions en milieu solvant, l'oxydation catalytique, etc.

Au cours de ses nombreuses recherches portant sur les techniques de concentration et de déshydratation mécanique et thermique des boues résiduaires, l'I.R.H. a largement contribué à la définition de paramètres de traitabilité (aptitude à l'épaississement gravitaire, à la flottaison), de paramètres de filtrabilité (résistance spécifique à la filtration, coefficient de compressibilité, siccité limite), de paramètres de floculabilité et de centrifugabilité, à l'étude de la liaison de l'eau à la phase solide, et a mis au point certaines techniques originales d'évaluation (tests de floculabilité, résistance au cisaillement des boues floculées, etc.).

L'obtention d'un déchet solide au terme du traitement des boues résiduaires ne constitue qu'une étape, à laquelle doit succéder la phase d'élimination finale du déchet par valorisation, utilisation agricole ou mise en décharge. Des recherches menées sur l'évaluation des risques potentiels de mise en décharge de boues résiduaires industrielles ont permis de définir des méthodes d'évaluation des risques, notamment liés à la résolubilisation des métaux lourds, qui sont maintenant opérationnelles et utilisables dans le cadre des études à court terme.

Aussi bien menée soit-elle, l'étude en laboratoire ne peut être considérée, dans la majorité des cas, que comme une étape préliminaire permettant de définir des orientations et d'alléger le programme expérimental devant être mené à plus grande échelle pour permettre une extrapolation sûre des résultats et la définition des paramètres opérationnels des installations industrielles.

L'installation, sur le site même de l'usine, de pilotes d'échelle suffisante, pouvant traiter plusieurs centaines de litres ou plusieurs mètres cubes par heure d'effluents ou de boues, permet de prendre en compte des facteurs restés dans l'ombre au niveau des essais de laboratoire. C'est en particulier le cas pour les variations de débit, de composition, de concentration et de température qui, en pratique, conduisent à exploiter l'installation de traitement dans des conditions de fonctionnement s'écartant sensiblement de l'état d'équilibre. L'incidence de ces fluctuations peut être mise en évidence par les essais pilotes traitant en continu l'effluent tel qu'il est produit dans l'usine.

Nous disposons d'installations pilotes de conception modulaire, permettant d'associer à volonté les différentes opérations unitaires classiques, qu'elles soient physiques, physico-chimiques, etc.

qu'elles ou biologiques, pour la réalisation de traitements complets (eau et boues) conformes aux schémas définis au terme de l'étude de laboratoire. Les appareils élémentaires de traitement des eaux (floculateurs, décanteurs, bassins à boues activées, lits bactériens, réacteurs de neutralisation ou d'oxydo-réduction) et annexes (pompes, régulation) sont montés sur palettes facilement transportables, à l'aide de notre plate-forme d’essais poids lourds.

Il en est de même pour les appareils et machines de traitement des boues, dont l'approvisionnement est assuré par les pilotes de traitement des eaux.

Outre le choix définitif de la filière de traitement, le dimensionnement de base des ouvrages, le calcul des doses de réactifs, des besoins en oxygène, de la production de boues résiduaires, la détermination des performances de traitement, la réalisation des essais pilotes à échelle semi-industrielle permet de déceler les problèmes d'exploitation possibles, de mettre en évidence la fluctuation des performances en fonction de la variabilité des rejets. Enfin, dans la mesure où du personnel de l'usine participe à leur réalisation, ces essais peuvent grandement contribuer à la formation du personnel d'exploitation.

L'épuration des eaux usées urbaines.

Nous ne citerons que pour mémoire ce domaine d’activité, portant sur des techniques classiques, où le problème consiste à dimensionner correctement les installations en fonction des débits réels (cas des réseaux unitaires et de réseaux non étanches).

Le traitement mixte des effluents urbains et industriels.

Le traitement commun d'effluents urbains et de certains rejets industriels présente théoriquement de nombreux avantages : dilution des effluents industriels et apport de substances nutritives (N et P) pour la microflore épuratrice par la pollution domestique, économie de réalisation et de fonctionnement. Il ne faut cependant pas en sous-estimer les inconvénients potentiels tenant à de possibles fluctuations importantes de débit et de charge polluante au cours du temps, au rejet éventuel de substances inhibitrices ou toxiques d'origine industrielle, et enfin à la nature même des polluants industriels, qui imposera dans une large mesure la nature de la microflore épuratrice à l'état d'équilibre. Toutes ces raisons militent pour la réalisation d'une étude particulière chaque fois qu'un regroupement et un traitement commun d'effluents urbains et industriels sera envisagé.

Les points que nous considérerons plus particulièrement dans ce type d'étude sont :

• • l'étude des critères de compatibilité des rejets industriels vis-à-vis de l'épuration biologique, les notions prises en compte étant la biodégradabilité, la toxicité, et divers paramètres physico-chimiques et chimiques : neutralité acido-basique et oxydo-réductrice, teneur en matières en suspension, analyse élémentaire, etc. ;
• • définition des prétraitements nécessaires, soit au niveau du rejet industriel global, soit à celui des rejets élémentaires (en sortie d'atelier ou de machine), permettant ensuite à l'effluent de satisfaire aux critères de compatibilité, dimensionnement et estimation des performances de ces prétraitements ;
• • essais, en installation pilote de laboratoire, de l'acclimatation de l'installation biologique à la pollution d'origine industrielle. Détermination du dimensionnement et des paramètres de fonctionnement des installations. Évaluation des performances d'épuration. Cette partie de l'étude se révèle très importante, et plus particulièrement dans le cas où les rejets industriels sont intermittents (activités saisonnières) ;
• • étude de l'influence des rejets industriels sur la production et les caractéristiques des boues résiduaires, en vue d'en déterminer l'incidence économique au niveau du traitement des boues.

La résolution de problèmes spécifiques.

Il ne nous est pas possible de présenter ici la variété des problèmes particuliers qui peuvent nous être soumis, et qui nécessitent dans chaque cas la définition d'un programme de travail. Nous ne citerons que comme exemple l'étude « in situ » de problèmes de corrosion électrochimique et biologique, entartrage, contamination biologique qui affectent les circuits d’eaux industrielles.

Assistance technique aux stations d’épuration.

Étant donné sa compétence en matière d'épuration, l'I.R.H. a été choisi en 1974 par le Conseil Général des départements de Meurthe-et-Moselle et des Vosges pour assurer le service d'assistance technique auprès de 130 installations des collectivités locales.

Dans le cadre de sa mission, l'I.R.H. se doit :

• — de contrôler de façon régulière et systématique les conditions de fonctionnement des installations,
• — de déceler les causes éventuelles de mauvais fonctionnement et proposer les remèdes à apporter,
• — et d'assurer la formation élémentaire des personnes chargées de l'exploitation des ouvrages.

Dans un même ordre d'idées, l'I.R.H. a créé en 1976 pour l'Alsace et la Lorraine, grâce à l’appui de l’Agence Financière de Bassin Rhin-Meuse, un service d'assistance technique aux stations d'épuration industrielles, et actuellement près de 70 installations sont régulièrement suivies par ce service.

ETUDES A LONG TERME ET RECHERCHE APPLIQUEE

Dans cette rubrique, nous décrirons les études de plus longue durée que les précédentes et la recherche appliquée généralement effectuée sous contrat. Toutes ces activités se regroupent autour de quelques thèmes qui constituent nos axes de recherche préférentiels.

Recherches sur les interactions entre l'eau et les matériaux.

Les problèmes qui naissent des interactions entre l'eau et les matériaux sont nombreux et variés. Ils mettent en jeu des phénomènes physiques, chimiques et biologiques. Leurs conséquences se traduisent non seulement par une altération des matériaux concernés, mais également par une dégradation de la qualité de l'eau qui peut compromettre gravement son utilisation, que celle-ci soit industrielle (perturbation des fabrications) ou domestique (problèmes biologiques et sanitaires).

Les travaux de recherche que nous menons sur ce thème se font en étroite liaison avec les études d’application dont il a déjà été question précédemment. Outre son apport sur le plan de la connaissance fondamentale des phénomènes impliqués, la recherche permet en effet la définition de méthodologies d'étude des problèmes pratiques et la mise au point de techniques de mesure, d'évaluation et de prévision.

La résolution des problèmes d'agressivité et d'entartrage nécessite la maîtrise des équilibres calco-carboniques et des facteurs susceptibles de les affecter. Nos travaux les plus récents ont porté sur :

• la caractérisation des équilibres calco-carboniques dans les domaines de pH et de salinité les plus étendus, par application des différents modèles connus à l'heure actuelle, et l'étude de l'évolution de ces équilibres en fonction des conditions de milieu (variations de température, de pH, apport de réactifs de neutralisation ou de précipitation) ;

• la mise au point de méthodes d’évaluation rapide de l'activité des inhibiteurs d’entartrage, en différenciant les phases de germination et de croissance des cristaux. La mesure du potentiel électrocinétique aux interfaces présente un grand intérêt pour l'étude des inhibiteurs d'entartrage et des dispersants souvent utilisés conjointement ;

• l'étude de l'efficacité de nouveaux inhibiteurs d’entartrage, plus stables que les polyphosphates utilisés classiquement. Il s'agit de composés organiques, les phosphonates, dont nous avons évalué en outre l'incidence sur les phénomènes de corrosion ;

• l'étude de la formation « in situ » de tartres, en particulier dans leur développement initial, par l'application de méthodes physico-chimiques fondées sur les propriétés diélectriques de ces matériaux.

La recherche en matière de corrosion bénéficie de l'existence à l'I.B.H. d'un laboratoire d'électrochimie, parfaitement équipé, pour l'étude des aspects électrochimiques de la corrosion, et d'un laboratoire de bactériologie pouvant mener les investigations indispensables en matière de corrosion bactérienne (identification et étude de l'écologie des ferro-bactéries, sulfo-bactéries, bactéries sulfato-réductrices, etc.).

L'appareillage mis en œuvre pour les études électrochimiques comprend ensemble potentiostatique complet, appareils de mesure des résistances de polarisation, microampèremètre et intégrateur électronique à résistances d’entrée nulles pour l'étude de la corrosion galvanique.

Nos travaux de recherche actuels portent sur :

• la mise au point de méthodes rapides d'évaluation de l'activité d'inhibiteurs de corrosion, pour leur sélection préliminaire en vue des essais en circuits pilotes. Les méthodes mises au point sont essentiellement de nature électrochimique ;

• l'étude de l'activité inhibitrice de réactions organiques et la recherche de relations entre ces propriétés et la structure moléculaire ;

• l'étude de la fiabilité des méthodes électrochimiques de mesure « in situ » (méthodes de mesure de résistance de polarisation et méthodes galvaniques) ;

• les conséquences sanitaires de la corrosion des circuits domestiques de distribution d’eau potable ; il s'agit d’évaluer les risques de contamination des eaux potables par des métaux tels que le zinc, le cadmium, le cuivre, l'étain, résultant de la corrosion des matériaux classiquement utilisés en plomberie sanitaire.

Certaines conditions de milieu (composition de l'eau et du matériau, température, ensemencement) rendent possibles la fixation d'un film biologique et la prolifération de micro-organismes à la surface d'un matériau en contact avec l'eau. Les conséquences peuvent en être plus ou moins graves : contamination bactérienne d’eaux potables dans les circuits de distribution, dégradation du matériau solide, formation de films et dépôts importants pouvant perturber le fonctionnement de circuits industriels par bouchages ou diminution des échanges thermiques.

Nos recherches dans ce domaine sont menées en rapport étroit avec l'étude et la résolution de problèmes concrets :

® réalisation de tests de non-prolifération bactérienne au niveaude matériaux entrant en contact avec les eaux potables :matériaux métalliques et synthétiques de canalisations,joints en élastomères naturels et synthétiques ;

® mise au point de méthodes d’évaluation rapide des biomassesfixées sur support solide ou en suspension en milieuaqueux. Il s'agit de méthodes fondées sur la mesure de l'A.T.P.après une étape éventuelle de concentration ;

® mise au point de méthodes d’évaluation de l'activité à courtet surtout à long terme de biocides utilisables pour le conditionnementdes circuits d'eaux industrielles.

D'une façon générale, l'ensemble des travaux réalisés jusqu'àprésent nous a permis de définir une méthodologie précised'étude et d'intervention pour la résolution des problèmes dansles circuits d'eaux industrielles.

Recherche de nouvelles techniques de traitementet amélioration des procédés existants.

Ces recherches effectuées sous contrat, le plus souvent pourdes industriels, ne donnent généralement pas lieu à publication.Les travaux déjà effectués se regroupent autour des thèmessuivants :

© Recherche d'amélioration des procédés d'épuration biologique,grâce à une meilleure connaissance fondamentale desphénomènes impliqués. Nous citerons en particulier nostravaux portant sur les applications des mesures d'A.T.P. àl'évaluation des charges réelles appliquées aux installationsbiologiques et à l'étude de la colonisation de matériauxsupports de lits bactériens à haute charge ou immergés ;

© Modélisation des traitements de coagulation, floculation, etdes techniques de séparation de phases solide/liquide ;

© Recherche portant sur les techniques de traitement physico-chimique des eaux usées urbaines, en vue de l'adaptation àdes situations particulières (littoral marin, cas requérant desinstallations de faible encombrement, zones froides). Nousavons en particulier largement participé à l'importante étudeet aux essais pilotes menés à NICE-Ferber sous l'égide del'Agence Financière de Bassin RHÔNE-MÉDITERRANÉE-CORSEet de la D.D.E. des Alpes-Maritimes. Un aspect particulierde ces problèmes est l'impact des techniques de coagulationet floculation sur la production de boues résiduaires et lecoût de leur traitement et de leur élimination ;

© Recherche portant sur le traitement tertiaire des effluentsurbains, en vue de prévenir l'eutrophisation des milieux naturels.

Recherches en matière de traitement et d’éliminationdes boues résiduaires.

Ce domaine constitue l'un des axes de recherche privilégiésde l'I.R.H. et celui où il a acquis la plus grande notoriété. Cesrecherches ont été menées d'une façon continue depuis 1964jusqu'à l'heure actuelle, grâce à une succession de contrats derecherche passés avec la D.G.R.S.T., puis avec le Ministère dela Culture et de l'Environnement. L'ordre chronologique de cesrecherches révèle celui selon lequel sont apparus les problèmespratiques de traitement et d'élimination des boues résiduaires.

® Conditionnement et déshydratation mécanique :

La concentration des boues résiduaires liquides obtenues auterme de l'épuration des eaux usées, puis leur déshydratationjusqu'à l'obtention d'un résidu solide, posaient des problèmesardus de séparation des phases solide/liquide, qui n'ont puêtre résolus que par l'application de conditionnements, en particulierchimiques, des boues résiduaires. Nos travaux, qui ontdonné lieu à la soutenance de deux thèses de Doctorat d'État(F. COLIN, 1966 ; J.C. BOEGLIN, 1968), ont porté sur la rupturede l'état colloïdal des boues par l’addition de polyélectrolytessynthétiques, puis sur l'incidence de ce traitement sur l'aptitudeà la déshydratation mécanique des boues ainsi conditionnées.Les paramètres de traitabilité des boues ont été définis, et lesappareillages nécessaires à leur détermination ont été misau point. Dans ce cadre ont été étudiés les procédés d’épais-sissement gravitaire, de centrifugation, de filtration sous videet sur filtre-presse. Les techniques, plus récentes de conceptionou d’adoption en matière de traitement des boues, de filtrationsous pression progressive et de flottation, ont été étudiéesultérieurement.

Parallèlement, des recherches plus fondamentales ont étémenées sur le problème de la liaison de l'eau à la phasesolide des boues, sur les méthodes de caractérisation del'eau liée et sur la détermination du degré de liaison de l'eau.À cette occasion furent mises au point des techniques faisantappel à la thermogravimétrie et à l'ultracentrifugation.

De 1972 à 1975, l'I.R.H., en la personne de M. COLIN, a étéchoisi pour coordonner la participation française à l'ActionEuropéenne COST 68, relative à la caractérisation des bouesen relation avec leur traitement, et assister à titre d'expert lereprésentant français au Comité de Gestion. Outre une participationimportante à l'élaboration de normes relatives aux caractéristiquesd'aptitude à l'épaississement et à la déshydratationmécanique des boues, nos travaux dans ce cadre se sont concrétiséspar la mise au point de méthodes de caractérisation originaledes boues : méthode de caractérisation de la floculabilitédes boues par polyélectrolytes, mesure de la résistancedes boues floculées au cisaillement. Cette dernière notion apermis de résoudre pour la première fois le problème de lasélection des floculants en vue d'améliorer les techniques detraitement, où la boue se trouve soumise à des cisaillementset des contraintes mécaniques importantes.

® Stabilisation des boues organiques :

Les boues résiduaires organiques, provenant notamment del'épuration biologique d'effluents urbains ou industriels dégradables,présentent un caractère fermentescible importantet sont susceptibles d'induire des nuisances olfactives ou sanitaires.Des travaux de recherche récents nous ont permis decaractériser l'aptitude à l'évolution biologique d'une boue résiduaire,par un faisceau de paramètres physico-chimiques etbiochimiques dont la pondération permet le calcul d'un indicede stabilité biologique. Cet outil nous a permis non seulementde comparer entre elles les techniques classiques de stabilisationbiologique par digestion aérobie et anaérobie et destabilisation chimique par chaulage, mais également de suivrel'évolution de la boue en fonction du temps, au cours de laréalisation de ces traitements, puis de l'exposition prolongéeà l’atmosphère des boues ainsi stabilisées.

® Élimination finale des boues résiduaires :

L’obtention des boues résiduaires, sous la forme d’un résidusolide manutentionnable et de plus faible encombrement, neconstitue qu'un maillon de la filière qui doit conduire à uneélimination finale du déchet.

Parmi toutes les solutions possibles, celles qui donnent lieuà une valorisation du déchet doivent être envisagées préférentiellement.C'est le cas pour l'utilisation agricole des bouesd'origine urbaine ou d'industries agro-alimentaires. L'I.R.H. aparticipé à un vaste programme de recherche, initié par leComité Scientifique « Sol et Déchets Solides » du Ministère dela Culture et de l'Environnement, sur la valorisation agricoledes boues d’épuration urbaine, en s’attachant à choisir lesboues destinées aux essais agricoles, entrepris par d'autreslaboratoires, en fonction d'une typologie des boues établie enraison de leur technologie d’obtention et de leur caractérisationdétaillée.

Lorsque la valorisation agricole ne peut être envisagée, l’alternativela moins coûteuse est constituée par la mise en décharge,qui présente toutefois des risques potentiels plus ou moinsimportants pour l'environnement, et qu'il est important deprévoir et évaluer quantitativement. Surtout dans le cas desboues industrielles pouvant contenir des polluants dangereuxdont l’évolution à long terme n'est pas connue. Les recherchesque nous menons consistent :

© à mettre au point des tests d’évaluation rapide des risques de libération de métaux lourds et toxiques lors de l’évolution du déchet mis en décharge, en tenant compte non seulement de l'action physique et chimique de l'eau pure, mais également de celle des produits de biodégradation des matières organiques banales en milieu aérobie et anaérobie.

Ces travaux ont conduit à la mise au point de tests d'extraction par des solutions typiques régénérées en continu ;

© à étudier le bilan en eau d'une décharge admettant simultanément des boues résiduaires et d'autres déchets homogènes, organiques ou minéraux. Ces expérimentations sont menées à l'aide d'un ensemble de six casiers lysimétriques d'un volume unitaire de 10 m³. Leur objet est de déterminer l'influence de la disposition relative des boues et des déchets (mélange homogène, stratification en couches d’épaisseurs différentes) sur la rétention de l'eau et la vitesse d'écoulement et la contamination des eaux de percolation.

Les résultats obtenus au cours de ces recherches nous permettent d'améliorer progressivement la méthodologie d'évaluation de l'impact sur l'environnement de la mise en décharge des boues résiduaires et, par extension, de tous déchets solides homogènes à l'échelle macroscopique.

Participation aux études d’impact écologique.

La législation prévoit la réalisation d'études de l’impact sur l'environnement, qui peut résulter de la réalisation d'implantations industrielles, d'aménagements divers d'une certaine importance, de la commercialisation de nouveaux produits chimiques etc., afin d'intégrer la préoccupation de sauvegarde de l’environnement à la prise de décisions concernant ces opérations. Du fait de la diversité des opérations concernées et de celle des conséquences écologiques qui peuvent en résulter, les études d'impact écologique ne peuvent être valablement menées que par des équipes pluridisciplinaires, faisant appel aux connaissances et aux acquis de nombreuses disciplines scientifiques, techniques, économiques et humaines.

Conscient de cette nécessité, L.R.H., pour participer valablement aux études d'impact écologique s'est associé à une structure juridique existante, le Centre d'Études d'Impact Écologique (C.E.I.E.), dont le siège est à METZ et qui regroupe, outre l'Institut Européen d’Écologie, de nombreux experts individuels et des organismes d'étude et de recherche universitaires et privés. L.L.R.H. joue un rôle soit d'organisme pilote, soit de participant important mis au point et présentés par le C.E.I.E. :

© études d'impact en hydrobiologie,

© études d'impact des produits chimiques en milieu aqueux,

© études d'impact de mise en décharge de déchets.

ACTIONS ET RELATIONS EXTÉRIEURES

L.L.R.H. entretient de nombreuses relations à l'échelle internationale :

© avec l'Organisation Mondiale de la Santé, qui l'a désigné comme Institut Collaborateur pour l'élimination des déchets. Du personnel de l'L.R.H. a effectué plusieurs missions de consultant à l’étranger, en particulier en Roumanie ;

© avec la C.E.E. à Bruxelles dans le cadre de la participation française à des actions de coopération scientifique et technique (Action COST 68) ;

© avec les laboratoires belges, luxembourgeois, suisses, allemands, néerlandais travaillant pour les Commissions internationales de protection du Rhin, de la Moselle, de la Meuse ;

© avec d'autres pays (U.R.S.S., Brésil, Maroc) dans le cadre de missions ponctuelles.

En France, L.L.R.H. entretient des relations étroites avec l'Université :

© par l'organisation de cours spécialisés sur le traitement des eaux :

— I.U.T. de NANCY, Département de Biologie Appliquée,

— E.N.S.A.I.A. à NANCY (organisme regroupant les Écoles d'Ingénieurs de Brasserie, Laiterie, Agronomie),

— Université de METZ, U.E.R. d'Écologie (Certificat de lutte contre la Pollution de l'Air et de l'Eau) ;

© par l'accueil de stagiaires dans le cadre de la scolarité obligatoire (E.N.S.A.I.A., E.N.S.I.C., C.U.C.E.S., etc.) ;

© par des actions de recherche commune dans des domaines relevant de complexes pluridisciplinaires (E.N.S.A.I.A. pour la valorisation agricole des boues, Institut Européen d'Écologie de METZ pour les études d'impact écologique, etc.).

L.L.R.H. contribue à la formation continue des ingénieurs et techniciens de l'industrie, en participant largement à des stages de formation spécialisée de haut niveau, organisés régulièrement par :

© le Centre de Perfectionnement Technique (C.P.T.) à Paris,

© le Centre de Perfectionnement des Industries Chimiques (C.P.I.C.) à Nancy,

© le Département de Perfectionnement des Ingénieurs et Cadres (D.P.I.C.) de l'Institut National Polytechnique de Lorraine à Nancy,

© le Centre de Formation et de Documentation de l’Environnement Industriel à Paris,

© et de nombreuses autres actions de formation plus ponctuelles, en particulier l’accueil de stagiaires étrangers envoyés par l’Organisation Mondiale de la Santé,

© le Centre International des Étudiants et Stagiaires.

Enfin, en tant que prestataires de services, l'L.R.H. entretient des relations avec les diverses administrations : Ministère de la Culture et de l'Environnement, Ministère de l'Industrie, D.G.R.S.T., Agences de Bassin, Agence Nationale pour la Récupération et l'Élimination des Déchets, Services de l'Industrie et des Mines, Administrations départementales, etc.

De même, les travaux de l'I.R.H. l'amènent à travailler en collaboration étroite soit avec les Centres Techniques et Organismes représentatifs des diverses branches d’activité industrielle, parmi lesquelles la Sidérurgie tient une place privilégiée, soit directement avec les industriels de toutes branches (Sidérurgie, Houillères, Métallurgie, Textile, Industries alimentaires, Électronique, Chimie, Automobile, Papeterie, etc.).

EN CONCLUSION...

Tout ce qui précède montre le chemin parcouru depuis la fondation du modeste laboratoire d'analyses en 1932. La diversification des activités, l'accroissement de technicité des interventions, l'important acquis résultant des travaux de recherche appliquée, garantissent des perspectives d’avenir et de développement intéressantes à l'I.R.H., qui fête cette année le vingt-cinquième anniversaire de sa structure juridique actuelle.

F. COLIN.

Comparaison des pouvoirs oxydantsdu chlore et du brome en eau de piscine.

La plus grande électronégativité du chlore par rapport au brome fait que le premier est utilisé pour préparer le second par oxydation des bromures. En eau de piscine, si l’on en croit un récent article (1), dès que le pH est supérieur à 7,2, le brome serait plus oxydant que le chlore même en l’absence d’azote ammoniacal. Ceci paraissant, a priori, difficilement acceptable, nous avons voulu vérifier cette affirmation en partant des équations thermodynamiques connues pour ces deux composés.

REACTIONS D’OXYDO-REDUCTIONDU CHLORE DANS L’EAU

Les réactions d’oxydo-réduction du chlore dans l’eau sont les suivantes, avec les potentiels proposés par BAILAR (2) :

HClO + H+ + e- = Cl₂ (aqueux) + H₂O ; E° = 1,63 volts ; log K° = 27,56   [1]
Cl₂ (aqueux) + e- = Cl- ; E° = 1,36 volts ; log K° = 23,00                   [2]

La réaction de dissociation de l’acide hypochloreux est la suivante :

HClO = H+ + OCl- ; log K₃ = –7,43 à 25 °C                                    [3]

REACTIONS D’OXYDO-REDUCTIONDU BROME DANS L’EAU

Ces réactions sont les suivantes, avec les potentiels proposés par BAILAR (2) :

HBrO + H+ + e- = Br₂ (aqueux) + H₂O ; E° = 1,59 volts ; log K° = 26,90      [4]
Br₂ (aqueux) + e- = Br- ; E° = 1,07 volts ; log K° = 18,10                    [5]

Dans l’eau l’acide hypobromeux se dissocie de la manière suivante :

HBrO = H+ + OBr- ; log K₃ = –8,70 à 25 °C                                     [6]

CALCUL DU REDOX DE L’EAU DE PISCINE CHLOREEEN FONCTION DU pH

Par analogie au pH (pH = –log {H+}), nous utiliserons la terminologie pe définie comme étant le co-logarithme de l’activité relative des électrons, soit pe = –log {e-}.

En appliquant la loi d’action de masse pour l’équation [1], on peut écrire :

(HClO)(H+)(e-)
——————————— = K₁

                     (Cl₂)

en prenant le logarithme de cette équation, on obtient :

pe = 27,56 + log (HClO) – ½ log (Cl₂) – pH                                    [7]

Pour l’équation [2] on obtient :

pe = 23,00 + ½ log (Cl₂) – log (Cl-)                                           [8]

L’addition des équations [7] et [8] conduit à :

pe = 25,28 + ½ log (HClO) – log (Cl-) – 0,5 pH                                [9]

En écrivant : T = (HClO) + (OCl-) = teneur en chlore exprimée en mole/litre, avec l’équation suivante :

                       (H+)(OCl-)
k₃ = ————————————
                         (HClO)

et (HClO) = (H+) (T – HClO) = (H+) T

on obtient :

                       (H+) T
(HClO) = ———————————————                                               [10]
                       K₃ + (H+)

En remplaçant l’équation [10] dans l’équation [9], il vient :

                        (H+) T
pe = 25,28 + ½ log  ———————— – 0,5 pH                                       [11]
                        K₃ + (H+)

Par définition, l’énergie, exprimée en volts, mise en jeu lors du transfert d’une mole d’électrons, s’appelle le potentiel redox Eₕ. Le suffixe ᵩ indique que ce potentiel est mesuré par rapport à l’échelle hydrogène. On peut écrire :

              2,303 R T
pe = ————————— Eₕ                                                           [12]
                  F

avec F = nombre de Faraday
       R = 8,314 volt-coulombs/mole · K
       T = température en degré Kelvin

En combinant les équations [11] et [12] il vient :

               2,303 R T   (H+) T
Eₕ = —————————— [25,28 + ½ log  ———————— – 0,5 pH]                          [13]
                  F         K₃ + (H+)

Le potentiel ainsi déterminé a pour référence l’électrode hydrogène. L’auteur utilise pour ses mesures l’électrode de référence au calomel. BATES (3) indique que le potentiel de cette électrode lorsqu’elle est saturée en KCl est de 244 millivolts à 25 °C par rapport à l’électrode hydrogène. On en déduit ainsi le potentiel par rapport à l’électrode au calomel pour l’eau de piscine chlorée :

Eₖ = Eₕ – 0,244                                                                 [14]

soit :

               2,303 R T   (H+) T
Eₖ = —————————— [25,28 + ½ log  ———————— – 0,5 pH] – 0,244                   [15]
                  F         K₃ + (H+)

par Bernard SAUNIER,Ingénieur conseil,Sté Saunier Eau et Environnement

(1) Il s’agit de l’article de M. R. JURION dans le n° 2 « L’Eau et l’Industrie » (pages 48 à 57) sous le titre : « Le Brome, son utilisation pour la stérilisation des eaux de piscines ».

CALCUL DU RÉDOX DE L’EAU DE PISCINE BROMÉEEN FONCTION DU pH

En suivant un cheminement analogue à celui présenté ci-dessus, on obtient, par rapport à l’électrode au calomel, le potentiel de l’eau de piscine bromée :

\[ E = 2,303 \frac{RT}{2F} \left[ \log (H^+) + -0,5 \, pH \right] - 0,244 \]

\[ E = \left[ \frac{2,303 RT}{2F} \log \left( \frac{Br_2}{Br^-} \right) \right] - 0,248 \]

POTENTIELS CALCULÉS POUR LE CHLOREET LE BROME EN EAU DE PISCINE

On a repris les mêmes conditions expérimentales que celles de l’auteur (1). Les teneurs en halogénure suivantes ont été retenues : 100 mg/l, c’est-à-dire : 2,83 × 10⁻³ mole/l de Cl⁻ et : 1,26 × 10⁻² mole/l de Br⁻.

La teneur en halogène était égale à 1 mg/l, soit : 1,41 × 10⁻⁵ mole/l de Cl₂ 6,26 × 10⁻⁶ mole/l de Br₂.

En remplaçant dans les équations [15] et [16] les concentrations en chlore, chlorure, brome et bromure pour différents pH, on obtient les résultats suivants :

On constate, ainsi que l’on pouvait s’y attendre, que le chlore reste très nettement plus oxydant que le brome dans les conditions d’eau de piscine étudiées à la référence (1).

COMPARAISON DES POTENTIELS CALCULÉSAVEC CEUX MESURÉS

On a comparé à la figure 1 les résultats prédits par la théorie thermodynamique avec ceux mesurés à la référence (1). Pour plus de clarté, on a présenté au tableau ci-dessous les différences entre les potentiels calculés (Ec) et mesurés (Em) pour le chlore et le brome aux différents pH considérés.

Pour le brome, on constate que l’accord entre les rédox calculés et mesurés est excellent lorsque le pH est inférieur à 8, et qu’il reste acceptable pour les valeurs du pH supérieures à 8,0. La différence entre les rédox calculés et mesurés varie de 0,03 à 0,50 volt lorsque le pH augmente de 6,0 à 9,0.

Pour le chlore, on note que le désaccord entre les rédox calculés et mesurés est très grand, puisque la différence varie de 1,39 à 2,45 volts lorsque le pH varie de 6,0 à 9,0. On remarque d’autre part que le rédox calculé de la solution d’eau chlorée est supérieur de plus de 1,30 volt au rédox calculé de la solution d’eau bromée ; ceci confirme que le chlore est beaucoup plus oxydant que le brome dans les conditions expérimentales étudiées à la référence (1) même à pH supérieur à 7,0. Plusieurs hypothèses apparaissent pour expliquer cette différence. On les résumera ci-après :

— la théorie et la pratique ne sont peut-être pas en accord pour la mesure du rédox ; — l’équilibre thermodynamique n’était peut-être pas atteint au moment de la mesure ; — la présence de matières organiques ou de traces d’azote ammoniacal aurait engendré la formation de chloramines aux faibles pouvoirs oxydants, comparés à ceux de HClO et HBrO.

Il est connu que les résultats prédits par la théorie ne sont pas toujours en accord avec ceux observés en réalité, ceci est principalement vrai dans le domaine de la chimie. Toutefois dans le cas qui nous préoccupe, il paraîtrait curieux que la théorie et la pratique soient en excellent accord pour le brome et pas pour le chlore, alors que ces deux composés sont des halogènes. D’autre part, alors qu’on sait peu de chose sur les mesures du potentiel rédox des solutions bromées, on connaît fort bien la mesure du rédox des solutions chlorées. Cette technique est d’ailleurs actuellement utilisée pour mesurer la concentration du chlore libre dans les eaux de piscines et plusieurs auteurs américains et allemands ont, à diverses reprises, vérifié que les rédox mesurés et calculés étaient bien identiques. Il en résulte que cette hypothèse ne peut être retenue pour expliquer ces différences.

Toute réaction chimique possède une vitesse de réaction qui lui est propre, et lorsque celle-ci est lente, l’équilibre n’est atteint qu’après plusieurs heures, voire plusieurs jours ou plus. La thermodynamique ne donne que le résultat d’une réaction chimique à l’équilibre. Si celui-ci n’est pas atteint, les valeurs du rédox mesurées et calculées ne sont évidemment pas en accord. En ce qui concerne les solutions de chlore libre et de brome libre, il est bien connu que les équilibres entre Cl₂, HClO, OCl⁻ et Cl⁻ d’une part et Br₂, HBrO, OBr⁻ et Br⁻ d’autre part sont atteints en moins d’une seconde.

les deux cas, par conséquent cette hypothèse ne peut expliquer les désaccords mis en évidence précédemment.

La présence de matières azotées à l'état de trace n’est pas à exclure. Avec le chlore, celles-ci forment des chloramines dont les potentiels rédox sont effectivement beaucoup plus faibles que ceux du chlore libre. Avec le brome il y a formation de bromamines dont on sait peu de chose concernant les valeurs de leurs potentiels rédox. En cas de formation de chloramines ou de bromamines la teneur en chlore total et en brome total peut ne pas avoir été affectée, mais celle en chlore libre et en brome libre dans ce cas devrait être bien inférieure à 1,0 mg/l. Si, comme on le pense, les potentiels rédox des bromamines et du brome libre sont très voisins, l'apparition de bromamines ne modifie que très peu le potentiel rédox de la solution de brome, alors qu’au contraire, pour la solution de chlore, la chute du potentiel rédox est très élevée dès la transformation du chlore libre en chloramine. Cette hypothèse est la plus vraisemblable, et d’autant plus que par le passé la comparaison des activités germicides entre le chlore et le brome s’est souvent soldée par celle des chloramines aux bromamines ; puisque les bromamines sont plus germicides que les chloramines, certains auteurs en ont conclu que le brome était plus germicide que le chlore dans les conditions des eaux de piscines (4).

On sait maintenant que, certes les bromamines sont plus bactéricides que les chloramines mais le chlore libre reste lui-même un meilleur désinfectant que le brome libre, les bromamines et les chloramines (5) (6). Ces résultats ont d’ailleurs entraîné une révision des doses de désinfectants maintenues en eau de piscine aussi bien pour le chlore que pour le brome. Avec le chlore, on évalue le pouvoir désinfectant de l’eau de piscine à partir de la teneur en chlore libre actif (acide hypochloreux) ou de la teneur en chlore libre (lorsque le pH est compris entre 7,4 et 7,6) et non pas à partir de la teneur en chloramines.

CONCLUSIONS

On s'est efforcé de montrer que le chlore libre était effectivement plus oxydant que le brome libre, en eau de piscine, dans les conditions étudiées, et ceci, contrairement à ce qui a été récemment avancé. On a indiqué que les mesures du rédox effectuées par JURION (1) étaient, pour le brome en excellent accord avec la théorie, mais que pour le chlore, elles en étaient très éloignées. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour tenter d’expliquer ce désaccord, la plus probable apparaît être la présence de matières azotées à l'état de trace dans les eaux étudiées.

Bien que le brome libre soit moins oxydant que le chlore libre, il reste un excellent désinfectant en eau de piscine ainsi qu'on l’a montré à l’issue de diverses études (5) (6).

B. SAUNIER

BIBLIOGRAPHIE

(1) JURION R. — Le brome, son utilisation pour la stérilisation des eaux de piscines. « L'Eau et l'Industrie », n° 20, novembre 1977, pp. 48-56.

(2) BAILAR J.-C. — Comprehensive Inorganic Chemistry, Pergamon Press, tome II, 1973, p. 1189.

(3) BATES R. G. — Treatise in Analytical Chemistry, Part I, Vol. I, I. M. KOLTHOFF and P. J. ELVINGS (Eds.), Interscience, New York, 1959, p. 319.

(4) VIDON — Étude de l’activité bactéricide du brome et de son mode d'action, utilisation de l'isotope radio-actif Br 82. Thèse de doctorat de pharmacie, Paris, 1966.

(5) SAUNIER B. et ROGER F. — La stérilisation des eaux de piscines par le brome. S.M. l’Eau, mars 1972, pp. 113 et 122.

(6) SAUNIER B., ROGER F. et TOUFFET C. — La stérilisation des eaux de piscines par le chlore, le brome et l’ozone. La Tribune du CEBEDEAU, n° 355/356, 1973.