Cette publication est uniquement disponible à l'achat
Lire un extrait Achetez pour : 239,99 €

Téléchargement

Format(s) : PDF

avec DRM

Partagez cette publication

Vous aimerez aussi

AVANTPROPOS
e Parmi les grands défis duXXIsiècle, celui de l’eau est évidemment au pre-mier plan, au même titre que les sols cultivables et l’énergie. Est-ce à un problème de quantité d’eau disponible auquel l’humanité sera confrontée dans les prochaines décennies ? Est-ce plutôt un problème de qualité d’eau qu’il faudra surmonter ? Certains pays en développement, déjà dépourvus de ressources en eau suffisantes, connaîtront inévitablement un ralen-tissement de leur développement lié à l’appauvrissement quantitatif de leurs ressources en eau. Certains autres de ces pays, «riches » en eau, verront la pollution (déjà très importante) de leurs ressources s’accroître à un niveau tel qu’il sera difficile d’y remédier. Parallèlement, et quelque part indécemment, les pays économiquement développés seront de plus en plus exigeants sur la qualité de leurs eaux ainsi que sur la sensibilité et le nombre des contrôles à effectuer sur les eaux distribuées et les eaux rejetées dans le milieu récepteur.
Une chimie et une microbiologie analytiques performantes de l’eau sont bien évidemment nécessaires pour relever ces défis, en s’appuyant sur des méthodes de dosage fiables, précises, sensibles, si possible miniaturisées et « en ligne ». En effet, ces méthodes analytiques sont (et seront toujours) des outils incontournables pour diagnostiquer et prédire l’évolution de la qualité des eaux naturelles souterraines, superficielles douces et marines, pour contrôler la qualité des eaux distribuées destinées à la consommation humaine et celle des effluents rejetés, ou encore pour suivre le fonction-nement des procédés de traitement des eaux et d’épuration des effluents aqueux urbains et industriels.
Il y a 50 ans maintenant que paraissait la première édition de «l’Analyse de l’Eau ». À cette époque les problèmes de l’environnement n’étaient pas aussi réels et sensibles qu’aujourd’hui, le nombre de laboratoires d’hydro-logie était réduit et les moyens en matériel et en personnel spécialisés très limités. Chargé alors de l’étude des eaux, plus particulièrement en zones arides, l’auteur initial, Jean RODIER, fit le constat que les données n’étaient pas toujours faciles à utiliser en raison de leur dispersion dans divers traités, mémoires et revues. Il lui parut donc utile de procéder à un regroupement des méthodes de dosage qui constitua la première édition de l’ouvrage connu ensuite sous le nom du « RODIER», ouvrage de réfé-rence en langue française pour de très nombreux laboratoires d’analyse, centre de formations et laboratoires de recherche. Chacune des éditions successives s’efforça par la suite de tenir compte à la fois des progrès réa-lisés dans les techniques analytiques (flux continu, absorption atomique, chromatographie liquide, spectrométrie de masse, etc.), dans les tech-nologiques industrielles (nucléaire par exemple), les pratiques agricoles (utilisation de phytosanitaires) et de l’expérience des auteurs.
V
SOMMAIRE
 Analyse physicochimique des eaux naturelles  Analyse microbiologique des eaux  Les indicateurs biologiques de la qualité des eaux  Eaux résiduaires  Analyse de l’eau de mer  Analyse d’un dépôt et d’un sédiment  Interprétation des résultats analytiques  Mémento du laboratoire d’analyse d’eau  Annexes
A B
C
D
E
F G
H
XV
VI
e Pour cette 9 édition, les professeurs des universités Bernard LEGUBE et Nicole MERLET de l’École Supérieure d’Ingénieurs de Poitiers ont accepté de coordonner la révision complète de l’ouvrage, avec l’aide et les conseils permanents de Monsieur Régis BRUNET, directeur du laboratoire IANESCO-Chimie de Poitiers. Des membres du CRECEP de Paris, du CEA Saclay, de l’IFREMER de Charente-Maritime, du LERES de Rennes, de la DIREN Poitou-Charentes et d’autres experts individuels ont contribué également très significativement à la révision de cet ouvrage. C’est plus d’une vingtaine de spécialistes qui ont ainsi constitué l’équipe de rédaction ou qui ont participé à cette révision.
La partie A sur l’analyse physico-chimique des eaux naturelles, la plus importante de l’ouvrage, a été profondément remaniée dans son plan comme dans son contenu détaillé. Les paramètres ont été regroupés par paragraphes, pour les analyses globales ou semi-globales (caractères organoleptiques, particules en suspension, salinité totale et titres, équili-bres calco-carboniques, paramètres organiques globaux) ainsi que pour les analyses spécifiques (gaz dissous, cations et anions minéraux, radioacti-vité, micropolluants organiques, soufre et composés soufrés, contrôle de la désinfection). Les méthodes ont été bien évidemment actualisées, mais la plupart des méthodes anciennes ont été conservées afin de répondre aux besoins des laboratoires insuffisamment équipés. L’équipe de coordination poitevine a particulièrement révisé cette partie, notamment en réécrivant totalement les méthodes de dosage de la quasi-totalité des éléments de la classification périodique, des micropolluants organiques et des oxydants et désinfectants. Gwenaëlle LAVISON a contribué très activement à la rédaction de la partie sur les micropolluants organiques et Pierre LEROY et Jean-Claude MIALOCQ ont accepté de réécrire respectivement les par-ties sur les équilibres calco-carboniques et sur la radioactivité. Des listes bibliographiques actualisées ont été introduites.
La partie B sur l’analyse microbiologique des eaux a été révisée par Laurent MOULIN et ses collaborateurs. Si les méthodes générales de bactériologie analytique concernant les bactéries indicatrices de contami-nation des eaux n’ont que peu évolué, les auteurs ajoutent à cet ouvrage des compléments, maintenant indispensables en bactériologie des eaux, sur l’analyse virale (détection, isolement, numération et identification), sur la recherche des parasites (Giardia lambliaetCryptoridium parvum) et sur la détermination des amibes libres.
La partie C sur la détermination de la qualité biologique des eaux a fait l’objet d’une nouvelle rédaction par l’équipe de Poitiers avec l’aide de la DIREN Poitou-Charentes. Les indices biologiques développés au cours des dernières années (indices macro-invertébrés, diatomées, oligochètes, macrophytes, poissons) et qui prennent une place de plus en plus impor-tante dans la mise en œuvre des plans de gestion des milieux aquatiques sont décrits dans ce chapitre, qui laisse également une place de choix aux tests de toxicité (bactéries, algues, crustacés, poissons).
La partie D sur les eaux résiduaires a été révisée principalement par l’équipe de coordination de Poitiers. La révision s’est avérée légère pour les critères globaux de pollution ainsi que pour les dosages particuliers. Le lecteur pourra se reporter à la partie sur les eaux naturelles pour le dosage
de certains paramètres spécifiques dans les eaux résiduaires comme les métaux ou les micropolluants organiques. Les paragraphes de cette par-tie D sur la radioactivité et la parasitologie ont été complètement réécrits respectivement par Jean-Claude MIALOCQ et Laurent MOULIN avec leurs collaborateurs. Pour ces parties B, C et D la bibliographie a été actualisée comme dans la partie A. La partie E est consacrée à l’eau de mer. C’est grâce à la collaboration de l’IFREMER, notamment de Christian BECHEMIN que cette partie a pu être revue en conservant la structure de l’édition précédente. Le paragraphe sur les prélèvements a été très significativement amendé et un paragra-phe sur les mesures de matières inhibitrices en eau de mer a été ajouté. Comme pour les eaux usées, le lecteur devra se reporter à la partie A pour les méthodes de dosage des micropolluants minéraux et organiques dans l’eau de mer. La partie F sur l’analyse d’un dépôt et d’un sédiment n’a été que peu modi-fiée, les évolutions dans ce domaine concernant plus une caractérisation minéralogique des dépôts que leur analyse chimique. La partie G sur l’interprétation des résultats analytiques est une partie importante de l’ouvrage, notamment les paragraphes sur les paramètres physico-chimiques révisés par l’équipe poitevine avec l’aide de Jean-Claude MIALOCQ, sur les paramètres microbiologiques corrigés par Laurent MOULIN et les aspects réglementaires où René SEUX a apporté sa participation précieuse. Un mémento du laboratoire d’analyse d’eau figure dans la partie H. Il cor-respond pour partie à des informations figurant précédemment en annexe. Ce chapitre a été revu, réorganisé et complété par l’équipe de coordina-tion. Le lecteur trouvera en annexe des informations intéressantes sur les orga-nismes français impliqués dans la gestion de l’eau et de l’environnement (Agences de l’eau, services de l’État, syndicats professionnels). Une liste des principales ressources documentaires et un glossaire complètent cette dernière partie.
Des progrès considérables ont été faits ces dernières décennies dans le domaine de l’analyse d’eau notamment sur les traces ou ultra-traces de métaux lourds, de métalloïdes toxiques ou indésirables, d’éléments radioactifs et de micropolluants organiques traditionnels (pesticides par exemple) et émergents (résidus pharmaceutiques par exemple), ou encore sur l’utilisation des méthodes de biologie moléculaire pour la détection et la quantification des bactéries ou des virus. En outre, il s’avère que les matières (ou matrices) organiques présentes dans les eaux à plusieurs mg/L (ppm), qu’elles soient d’origine naturelle ou anthropique, jouent un rôle prépondérant dans les mécanismes d’évolution naturelle des ressour-ces en eau superficielle ou lors du traitement et de la distribution des eaux. Elles doivent être de plus en plus souvent quantifiées, voire caractérisées. Par ailleurs, la forte pression des organismes de santé des pays dévelop-pés sur l’identification et la quantification des microorganismes pathogènes
VII
VIII
ainsi que les risques sanitaires par voie hydrique de plus en plus intenses dans les pays en développement, conduisent à des contrôles microbiolo-giques de plus en plus nombreux et approfondis. Cette nouvelle édition de « L’analyse de l’eau » s’attache à décrire et à expli-quer clairement, logiquement et assez simplement ces différents aspects de la qualité des eaux. Ce manuel n’a évidemment pas la prétention d’apporter des connaissances nouvelles aux hyper-spécialistes, mais les enseignants et certains chercheurs dans le domaine de l’eau y trouveront certainement des bases et des détails utiles. Comme pour les précédentes éditions, le but de cet ouvrage reste essen-tiellement de faciliter le travail de laboratoire d’analyse tant au niveau de la bonne exécution des méthodes qu’à celui de l’interprétation des résultats. Nous espérons avoir atteint cet objectif.
7CATIONS ET ANIONS
Cette partie intitulée « Cations et Anions » (sous entendu minéraux ou inor-ganiques) du chapitre « Analyses physico-chimiques des eaux naturelles » est importante à plusieurs points de vue.
Les eaux douces, qu’elles soient d’origine souterraine ou superficielle sont plus ou moins minéralisées par des sels naturels. Il est souvent très impor-tant de connaître précisément cette minéralisation en plus des indications données par les paramètres globaux de type «titre» et «potentiel ». Par ailleurs, certains des cations et anions minéraux naturels présents dans les eaux sont considérés comme indésirables ou toxiques selon l’usage auquel l’eau douce est destinée (domestique, agricole, industriel, santé, tourisme, refroidissement…). Ces anions et cations sont généralement présents à des concentrations très variables, de l’ordre de quelques ppb ou dizaines de ppb (comme par exemple, l’arsenic, le sélénium, le man-ganèse, le fer, etc.) à plusieurs dizaines ou centaines de ppm (comme par exemple le calcium, le magnésium, les carbonates, les fluorures, etc.).
Le deuxième aspect est du domaine de la quantification de la pollution minérale, puisque d’autres anions et cations d’origine anthropique (issus de la pollution des eaux par les rejets de différentes formes) sont également parfois (trop) présents dans les eaux naturelles. Les cas des nitrates, nitri-tes et phosphates sont bien connus, il s’agit ici de plusieurs ppm ou dizai-nes de ppm. Mais de très nombreux autres cations, dont les métaux lourds, peuvent être également présents, à l’échelle du ppb ou moins (comme par exemple le mercure, le cadmium, le cobalt, le chrome, etc.).
Enfin, d’autres paramètres minéraux, également en faible concentration, peuvent être issus du traitement et de la distribution de l’eau potable qu’il est nécessaire d’analyser pour le contrôle sanitaire (comme par exemple, les bromates, les chlorites, le plomb, etc.).
Ce chapitre aurait donc très bien pu être planifié en fonction de l’origine des cations et anions (naturels, anthropiques) ou de leur danger potentiel (non gênants, indésirables, toxiques), ou encore en fonction des usages (eau pota-ble, thermalisme, irrigation, industrie, etc.), voire en fonction des ordres de grandeur de concentration ou des techniques instrumentales utilisées (diffé-rentes méthodes spectrométriques, chromatographie, potentiométrie, etc.).
Le plan choisi est par ordre alphabétique, anions et cations confondus. Toutefois, en début de chapitre, un paragraphe (§A-7.1) est consacré aux méthodes instrumentales, paragraphe auquel le lecteur est évidemment très souvent invité à se reporter. Chaque paragraphe consacré à un paramètre se termine par la ou les méthodes de références AFNOR. Une bibliographie (non exhaustive mais utile) est, quant à elle, mentionnée en fin de partie A, paramètre par paramètre.
A
141
ANALYSE PHYSICOCHIMIQUE DES EAUX NATURELLES
142
7 • Cations et anions
7.1 Méthodes instrumentales pour l’analyse des cations et des anions
Remarques importantes – Les méthodes indiquées s’appliquent aux cations et anions dissous ou en solution après minéralisation. Le lecteur pourra se reporter au chapitre D et aux normes AFNOR correspondantes pour appliquer les méthodes indiquées aux espèces en suspension et/ou aux sédiments. – Sauf dans quelques cas particuliers, les méthodes indiquées ne permet-tent d’analyser que globalement le cation ou l’anion considéré, quelles que soient les espèces (ou formes) présentes en solution. En effet, il ne faut pas oublier que certains anions présentent des espèces (ou formes) acide et base, comme les carbonates, silicates, borates, sulfites, etc., et que certains cations présentent des espèces (ou formes) réduites et oxydées, comme le fer, le man-ganèse, le chrome, etc. Par ailleurs, tous les cations dans l’eau sont plus ou moins complexés à des ligands OH ou autres anions minéraux ou organiques, fonction notamment du pH de l’eau, de son potentiel d’oxydo-réduction, de sa teneur en composés organiques et minéraux divers. Cette partie « Cations et Anions » n’aborde absolument pas la spéciation des éléments inorganiques dans les eaux naturelles. Certains ouvrages traitant de ce sujet sont cités dans la bibliographie finale.
7.1 Méthodes instrumentales pour l’analyse des cations et des anions
Préambule Les méthodes instrumentales sont d’une utilisation courante pour l’analyse des eaux. Pour un grand nombre de dosages, elles ont remplacé les méthodes gravimétriques et titrimétriques. Les conditions de leur utilisation ayant été précisées et les appareillages s’améliorant constamment, il est possible d’obtenir des résultats analytiques dont la précision ne le cède en rien aux méthodes classiques. Ainsi, la spectrométrie d’absorption moléculaire (colorimétrie) est la pre-mière méthode qui a facilité l’analyse hydrologique. L’emploi de nombreux réactifs organiques pour le développement des réactions colorées a permis un accroissement tant de ses possibilités que de sa sensibilité. Bénéficiant de nombreuses années d’expérience, applicable à de nombreuses subs-tances, elle est devenue d’utilisation courante dans l’analyse de l’eau. La mise au point de chaînes automatiques d’analyse spectrométrique, dont les réalisations commerciales sont nombreuses et variées, a permis de déve-lopper encore les moyens du travail en série et d’étendre le domaine des applications de la méthode avec l’analyse en flux continu.
Cependant, beaucoup d’éléments, en particulier ceux possédant une toxi-cité, ne se retrouvent dans l’eau qu’à des teneurs très faibles, d’où l’intérêt de méthodes complémentaires pour le dosage des traces.
La spectrométrie d’émission de flamme a eu le grand avantage de permet-tre le dosage des métaux alcalins et alcalinoterreux comme le sodium, le potassium, le strontium et le lithium. Plus précise, plus simple elle est sur-tout plus rapide que les méthodes classiques comportant de longues mani-pulations susceptibles d’introduire des erreurs importantes.
7 • Cations et anions
7.1 Méthodes instrumentales pour l’analyse des cations et des anions
La spectrométrie d’absorption atomique avec ou sans flamme a très remar-quablement étendu les possibilités des méthodes précédentes, tant pour les éléments prédominants dans l’eau comme le calcium, le magnésium, le sodium et le potassium, que pour ceux susceptibles d’être rencontrés à l’état de traces comme le chrome, le cuivre, le fer, le manganèse, le zinc, le lithium, etc. Cette technique séduisante par sa sensibilité et sa rapidité s’est répandue en fonction des améliorations des caractéristiques des appareillages et de l’adaptation de leur prix de revient. La spectrométrie à l’aide d’un générateur inductif de plasma (ICP) introduit une plus grande sensibilité et permet de doser plusieurs éléments dans le même échan-tillon, simultanément ou séquentiellement. Son couplage avec la spectro-métrie de masse (ICP) lui confére une grande sensibilité et élargit encore son potentiel analytique.
Les électrodes ioniques spécifiques de certains anions et cations dont on rencontre dans le commerce une assez grande variété, apportent quelques possibilités analytiques caractérisées essentiellement par leur rapidité d’emploi. En particulier, ce matériel facilite les contrôles en série sur des échantillons pour lesquels on veut suivre l’évolution de la teneur d’un élé-ment considéré.
Il n’entre pas dans le cadre de cet ouvrage de décrire d’une façon détaillée toutes les méthodes physiques d’analyse dont les éléments théoriques et descriptifs sont développés dans de nombreux traités spéciaux auxquels le lecteur voudra bien se reporter s’il le juge nécessaire. Notre but est d’en rappeler brièvement le principe et le domaine d’application pour éclairer le choix des méthodes et, le cas échéant, pour faciliter le dialogue entre l’hy-drologue et le laboratoire.
Le dosage des concentrations totales d’un élément fourni par l’ensemble de ces analyses ne donne pas toujours une information suffisamment pré-cise sur la forme chimique dans laquelle se trouve cet élément, rendant difficile une évaluation des risques sur la santé ou la prévision des impacts environnementaux. Seule la spéciation, qui permet de doser et d’identifier les différentes formes chimiques d’un élément, peut fournir cette précision. Cette approche de spéciation ne sera pas abordée dans ce chapitre.
Étant donné le niveau de sensibilité atteint par l’ensemble de ces méthodes, il est impératif de s’assurer que tous les réactifs utilisés soient de qualité analytique prouvée pour ne pas introduire de contamination et nuire à la précision des méthodes. L’eau déionisée sera en général de qualité ultra-pure.
7.1.1Spectrométrie d’absorption moléculaire (absorption des radiations lumineuses de l’UV et du visible) Principe Quand un rayonnement d’une longueur d’onde donnéeλtraverse un milieu, son intensité diminue en fonction de la densité des espèces absorbantes et de l’épaisseur du milieu. Cette propriété est utilisée pour déterminer la concentration des espèces chimiques absorbant à une longueur d’onde déterminée.
A
143
ANALYSE PHYSICOCHIMIQUE DES EAUX NATURELLES
144
7 • Cations et anions
7.1 Méthodes instrumentales pour l’analyse des cations et des anions
C’est l’interaction entre les photons de la source lumineuse et les ions ou molécules de l’échantillon qui provoque l’absorption lumineuse.
Lois de la spectrométrie L’atténuation d’un faisceau lumineux monochromatique s’exprime par sa transmittance T (ou pourcentage de transmission), définie comme le rap-port entre l’intensité lumineuse transmise (I) et l’intensité incidente (I ) : 0 I T = I0
I 0
On définit également l’absorbance A par :
I0 A =log T = log I Pour un rayonnement monochromatique de longueur d’ondeλ, la loi de BEER-LAMBERTétablituneproportionnalitéentrelaconcentrationCd’une entité chimique en solution, sa nature chimique (caractérisée par son coefficient d’extinction molaireε), son absorbance A et la longueur du trajet parcouru par la lumière dans la solution (trajet optiquel) : I 0 A = log = ελlC I
l
I
A = I = 0 I = l= C =
Absorbance (ou densité optique) à une longueur d’ondeλ(A est sans unité) intensité du faisceau lumineux monochromatique incident intensité du faisceau lumineux émergent longueur du trajet optique (en cm), qui correspond à l’épaisseur de la cuve de mesure concentration molaire de l’entité absorbante dans la 1 solution (en mol. L ) ε=coefficient d’absorption molaire de la substance en 1 1 solution (en L. mol .cm ) à la longueur d’ondeλconsidérée
λ
Le coefficient d’absorption molaireεdépend de la longueur d’ondeλ, de la λ nature chimique de l’entité, du solvant et de la température. Sa valeur est généralement exprimée au maximum d’absorption du composé.
À une longueur d’onde donnéeλ, l’absorbance A d’un mélange denespèces absorbantes est la somme des absorbances individuelles desnconstituants du mélange. Cette propriété est dite loi d’additivité des den-sités optiques.
n A =Ai(ελ,i,,Ci). Σ i=1