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Matière organique dans Eaux de surface : classification, et techniques de séparation
Le terme matière organique naturelle est employé pour définir toute matière composée avec du carbone qui s’associé avec d’autres atomes comme l’hydrogène, l’azote etc. La matière organique, dans eaux de surface regroupe à la fois la matière naturelle, qui peut être issue de la décomposition des végétations et des animaux ou issue des métabolites microbiens ou photosynthétique. Elle peut être, aussi, d’origine synthétique. Par conséquent la matière organique dans les eaux de surface est un mélange complexe. L’existence de la matière organique dans les eaux naturelles (barrages, lacs, rivière…) est plus que nécessaire pour la vie et l’équilibre des écosystèmes aquatiques. Par contre la matière organique anthropique, selon sa nature et sa concentration, peut être très nocif, et peut détruire l’équilibre naturel des écosystèmes aquatiques.
Classification de la matière organique
– La matière organique peut être classée selon plusieurs critères :
– Classification selon la taille
– Classification selon l’origine
– Classification selon la nature.
Classification selon la taille
Lorsqu’on parle de la composition et de la réactivité de la matière organique dans un milieu aquatique un critère important c’est la taille des molécules (Rook 1974). La matière organique des eaux naturelles est constituée d’un grand nombre d’espèces chimiques qui s’échelonnent en un continuum de tailles de quelques angströms à quelques millimètres et des masses moléculaires de 16 (le méthane) à plusieurs milliers de daltons (les substances humiques) Figure 1. Et revêt une multitude de formes physiques : cellules vivantes, sénescentes ou à divers stades de leur lyse, microgouttes, films, colloïdes, solutés (Da Cunha 2011 ). Les géochimistes et chimistes de l’environnement ont l’habitude de distinguer la matière organique dissoute (MOD) de la matière organique particulaire (MOP) et colloïdale (MOC). Ces définitions ont un caractère purement expérimental, un processus de filtration utilisant des filtres de porosité standard de 0.45µm ou 0.22µm est utilisé comme une distinction opérationnelle entre les composés particulaire et dissout (Rook 1974 ).
Matière organique dissoute (MOD)
Ensemble des molécules organiques résiduelles, dissoutes ou colloïdales, contenues dans les eaux après filtration (seuils de coupure à 0.45 µm ou 0.22 µm suivant les auteurs). La matière organique dissoute (MOD) dans les eaux de surface destinée à l’eau potable peut être divisé en plusieurs catégories. Elle regroupe à la fois les composés organiques spécifiques d’origine naturelle et anthropique. Lorsque ces composés dégradent la qualité organoleptique ou posent des problèmes de santé aux consommateurs, ils peuvent être considérés comme des micropolluants. Micropolluants naturels comprennent les métabolites microbiens qui causent le goût et l’odeur (par exemple, la géosmine) ou toxiques (par exemple, les microcystines). Il ya aussi des micropolluants anthropiques ou composés organiques synthétiques tels que les pesticides, les solvants, les produits pharmaceutiques et les produits phytosanitaires. Deux autres composantes de MOD sont la matière organique naturelle (MON) et les effluents organiques de l’usine de traitement des eaux usées. La MON est un mélange complexe de composés organiques, elle est composée de : substances humiques (acides humiques et fulviques), acides hydrophiles (appelé dans ce travail transphiliques) et les composés non humique (hydrophiles) tels que les glucides et les protéines. Les effluents organiques de l’usine de traitement des eaux usées inclut aussi la MON, composés de l’activité humaine, et les métabolites de traitement biologique des eaux usées.
Matière organique colloïdale (MOC)
Ensemble des molécules organiques dont le poids moléculaire varie entre 1000 et 100 000 Dalton (1 Dalton = 1 g par mole). Ces molécules peuvent éventuellement être séparées de la phase dissoute en ultrafiltrant les eaux préalablement filtrées 0.45 µm ou 0.22 µm. Les MOC sont souvent intimement associées à des colloïdes minéraux (hydroxyde de fer, argiles).
Matière organique particulaire (MOP)
Composés organiques particulaires grossiers correspond aux débris de grande taille allant jusqu’à 1mm, la fraction particulaire fine correspond aux débris variant entre 1mm et 0.45 µm selon Naiman et al (Naiman et al. 1987). La MOP correspond souvent aux organismes tels que les algues et les débris végétaux.
Classification selon l’origine
Dans les eaux de surface, la MO d’origine soit allochtone, soit autochtone.
Allochtone issue de la lexiviation ou de l’érosion des sols des bassins versants, elle comprend des débris végétaux ainsi que des produits provenant de la dégradation de la biomasse végétale et animale des sols. Ce compartiment comprend également les apports de la MO résultant des activités humaines (agriculture, rejets urbains et industriels).
Autochtone Il s’agit de la MO produite au sein des environnements aquatiques, soit directement via la photosynthèse (phytoplancton) et les activités métaboliques des algues et des microorganismes, soit indirectement par le biais de la dégradation de ces mêmes organismes par les décomposeurs (bactéries).
Classification selon la composition
La matière organique dissoute est constituée de molécules très complexes et hétérogènes de substances humiques, composées de lipides, de sucres et de phénols associés à des métaux. Ces composés sont le résultat des processus de dégradation de la matière organique, suivis par une condensation oxydative des molécules organiques naturelles (polyphénols, carbohydrates, acides gras, protéines). Les substances humiques sont jusqu’à présent très peu étudiée au niveau de leur caractérisation chimique (carbohydrates, acides gras, acides aminés hydrocarbures et composés phénoliques) (Spitzy and Leenheer 1991). Une autre partie de la MOD se compose essentiellement de carbohydrates, d’acides aminés et d’acides carboxyliques. Cette fraction est qualifiée de « labile » en raison de sa grande réactivité dans le milieu aquatique. Les concentrations de la matière organique dissoute, sont très variables, cela dépend principalement de la localisation géographique des eaux de surface, de leur débit, du climat régional et/ou saison de l’année, de l’inclinaison du bassin versant et des caractéristiques du sol adjacent au bassin (Spitzy and Leenheer 1991).
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Table des matières
Introduction générale
Recherche bibliographiques
I.1 Matière organique dans Eaux de surface : classification, et techniques de séparation
I.1.1. Classification de la matière organique
I.1.1.1. Classification selon la taille
I.1.1.2. Classification selon l’origine
I.1.1.3. Classification selon la composition
I.1.3. Les substances humiques (SH)
I.1.3.1. La formation des SH
I.1.3.2. Propriété physico-chimique
I.1.4. Technique de séparation de la matière organique
I.1.4.1. Extraction Liquide-liquide LLE
I.1.4.2. Extraction solide-liquide SPE
I.1.4.3. Extraction solide-liquide des substances humiques sur résines adsorbantes
I.1.4.4. Concentration de la MO par les techniques membranaires
I.2. Analyse et caractérisation des substances humiques
I.2.1 Méthodes d’analyse globale de la matière organique
I.2.1.1 Carbone organique dissout (COD) et demande chimique en oxygène DCO
I.2.1.2. UV 254nm
I.2.1.3. Absorbance spécifique (SUVA)
I.2.2. Méthodes de caractérisation des substances humiques
I.2.2.1. Analyse des groupements fonctionnels par FTIR
I.2.2.3. Caractérisation de la MO par pyrolyse GC-MS
I.3. La réaction des SH avec le chlore et formation des THM
I.3.1. Les trihalométhanes (THM)
I.3.2. Paramètres influençant la formation des THM
I.3. 3. Effet sur la santé et réglementation
I.3.3. La formation des trihalométhanes
I.3.3.1. Précurseurs des THM
I.3.3.2. Mécanismes de formation des THM
I.3.3.3. Cinétique de la réaction de formation des THM
I.3.4. Technique d’analyse des THM
I.3.4.1. chromatographie en phase gazeuse couplé à la spectroscopie de masse CG-MS et au détecteur à capture d’électrons CG-ECD
I.3.4.2. Extraction des THM
I.4 Traitement de la matière organique par les procédés conventionnels
I.4.1 La coagulation
I.4.2 Séparation et élimination de la MOD par Coagulation
I.4.3 Procédé conventionnel combinée avec d’autres procédés de traitement
I.4.3.1. La coagulation combinée avec le procédé d’adsorption pour l’élimination de la MON
I.4.3.2 La coagulation combinée avec filtration sur membrane
I.4.3.3. Utilisation de la résine échangeuse d’anion MIEX
I.4.4. Combinaison de l’ultrafiltration et charbon actif poudre
Matériels et Méthodes
II. Matériels et méthodes
Méthodologie du travail expérimental
II.1 Description générale des trois barrages étudiés
II.1.1 Description du barrage et station de traitement de AinDalia (Souk-Ahras)
II.1.2 Description du barrage et station de traitement de Ain Zeda (Sétif)
II.1.3 Description du barrage de Koudiet Lamdaouar (Timgad (W) de Batna)
II.2. Concentration, fractionnement, analyse et caractérisation des substances humiques
II.2.1. Filtration et adoucissement
II.2.2. Concentration de la MOD dans un pilote d’osmose inverse
II.2.3. Préparation des colonnes de résines XAD
II.2.4. Fractionnement des substances humique sur résine XAD-7HP, XAD-4
II.2.5. Analyse et caractérisation des fractions hydrophobes et transphiliques
II.2.5.1. Analyse du carbone organique dissous COD par micro-DCO (ST-DCO)
II.2.5.2. Caractérisation par Infrarouge IR
II.2.5.3. UV 254nm et l’indice SUVA
II.2.5.4. analyse du chlore actif
II.3. Relation entre la consommation du chlore et la formation des THM
II.3.1. Cinétique de consommation du chlore et formation des THM
II.3.1.1. La demande en chlore
II.3.1.2. Analyse des THM
II.3.1.3. Modèle de la cinétique de consommation de chlore et formation des THM
II.4.Simulation du traitement conventionnel par Jar-test
II.4.1. Principe
II.4.2.Appareillage et réactifs
II.4.3.Mode opératoire
II.5 Combinaison du procédé conventionnel avec le charbon actif poudre
Résultats et Discussions
III.1. Concentration et fractionnement des substances humiques
III.1.1. prélèvement et analyse de la qualité physicochimiques des trois sources
III.1.2. Concentration de la matière organique
III.1.3. Fractionnement des substances humiques sur résines adsorbantes
III.2 Caractérisation des substances humiques
III.2.1 Infrarouge FTIR
III.3. étude de la cinétique de formation des THM à partir des fractions HPO et TRS
III.3.1 Demande en chlore
III.3.2 Modélisation de la cinétique de consommation de chlore
III.3.3 Relation entre la consommation du chlore et la formation des THM
III.3.3.1 Cinétique de la formation des THM
III.3.4. Conclusion
III.4.Traitement de la matière organique par le procédé classique
III.4.1. Traitement de la matière organique par le procédé conventionnel
III.4.1.1 Détermination de la dose optimale du coagulant pour traitement des matières en suspension
III.4.1.2. Evaluation de l’élimination sélective des différentes fractions
III.4.2. Détermination des conditions optimales d’élimination de la MOD
III.4.2.1 Effet de la dose du coagulant
III.4.2.2. Effet du pH
III.4.3. Combinaison du traitement conventionnel avec le charbon actif poudre CAP
Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexe
