AMELIORATION DES PROCEDES DE CLARIFICATION DES EAUX DE LA STATION HAMADI-KROMA DE SKIKDA

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1 République Algérienne Démocratique et populaire Ministère de l Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Mémoire de Magister Présenté à l université du 20 Août 1955 Skikda Faculté des Sciences Département des Sciences Fondamentales Spécialité : Chimie Option : Pollutions Chimiques & Environnement Par Amel LOUNNAS AMELIORATION DES PROCEDES DE CLARIFICATION DES EAUX DE LA STATION HAMADI-KROMA DE SKIKDA Soutenu le : / / Devant le Jury : Mme : R.ZAGHDOUDI MC Université de Skikda Président Mr : Med. S. MEDJRAM Pr Université de Skikda Examinateur Mr : M.SOLTANE MC CU de EL-Taref Examinateur Mr: F. DJAZI Pr Université de Skikda Rapporteur Année universitaire : 2008/2009

2 REMERCIMENTS Je remercie mon rapporteur monsieur Fayçal DJAZI, Professeur à l Université de Skikda, pour avoir accepté de diriger mes travaux, je lui exprime ma profonde gratitude pour m avoir fait bénéficier de ces profondes connaissances scientifiques ainsi que pour la confiance qu il m a témoignée. Mes remerciements s adressent aussi à Madame Rachida ZAGHDOUDI,Maître de conférence à l Université de Skikda, pour m avoir fait l honneur de présider ce jury. Mes remerciements vont à Monsieur Mohamed Salah MEDJRAM, Professeur à l Université de Skikda, pour l honneur qu il m a fait d examiner mon travail et pour m avoir permis d effectuer des manipulations au sien de son laboratoire. J adresse également mes remerciements à Monsieur Mahmoud SOLTANE, Maître de conférence au Centre Universitaire EL-Taref, qui m a fait l honneur de participer à ce jury et juger mon travail. Je suis très reconnaissante à Monsieur B.MEGHZILI, enseignant à l Université de Skikda, pour les aides et les encouragements qu il m a témoignés. Je le remercie vivement. Mes remerciements s adressent également à Monsieur M.BOSSAA, enseignant à l Université de Skikda, pour son aide et la disponibilité qu il a toujours manifestées. J exprime mes remerciements à M elle C.SAADI, enseignante à l Université de Skikda, pour son aide. Enfin, je tiens à remercie profondément toutes les personnes qui, de prés ou de loin, ont contribué à l achèvement de ce travail.

3 DEDICACE Je dédie ce modeste travail à : Mes très chers parents. Mon mari Abderzak. Mes s urs et frères«wahida, Ma fille Sarah. Ma belle s ur. Mes amies et collègues. Mehyddine».

4 Table des matières INTRODUCTION GENERALE PARTIE THEORIQUE CHAPITRE I : PROPRIETES ET POLLUTION DES EAUX I.1 INTRODUCTION PROPRIETES DE L EAU 4 I.2.1 Propriétés physiques 4 I.2.2 Propriétés chimiques 6 I.2.2 Propriétés biologiques. 6 I.3 RESSOURCES HUDRIQUES NATURELLES. 6 I.3.1 Eaux souterraine 6 I.3.2 Eaux de surface. 7 I.3.3 Eaux de mers et océans 8 I.4 POLLUTION DES EAUX 9 I.4.1 Origine de la pollution 9 I L industrie 9 I L agriculture 9 I pollution domestique 9 I pollution par les eaux pluviales 9 I pollution d origine naturelle 9 I pollution par les substances associées au traitement de l eau 10 I.4.2 les principaux polluants des eaux naturelles 10 I Polluants physiques I0 I Polluants chimiques 12 I Polluants microbiologiques 13 I.5 CONCLUSION.. 14 CHAPITRE II : LA QUALITE ET LE TRAITEMENT DES EAUX DE SURFACE II.1 INTODUCTION 15

5 II.2 LES PARAM7TRES DE QUALITE DES EAUX 15 II.2.1 Les paramètres organoleptiques 15 II La turbidité 15 II La couleur 16 II Goût et odeur 17 II.2.2 Les paramètres en relation avec la structure de l eau 17 II La température 17 II La dureté 18 II Le ph 19 II L alcalinité 19 II La conductivité 20 II Sodium et potassium 20 II Les chlorures 20 II Les sulfates 21 II.2.3 Les paramètres indésirables 21 II Les matières organiques 21 II L azote 23 II Certains métaux 24 II.2.4 Les paramètres toxiques 25 II.2.5 Les caractéristiques biologiques 25 II.3 PROCESSUS DE POTABILISATION DES EAUX DE SURFACE. 27 II.3.1 Prétraitement 27 II.3.2 Pré-oxydation 28 II.3.3 Clarification 29 II Coagulaion-floculaion 29 II Décantation 30 II La filtration 31 II.3.4 Désinfection 31 II.3.5 Affinage 31 II.4 TRAITEMENT DES EAUX NATURELLES EN ALGERIE 32 II.4.1 La qualité des eaux de surface 32 II.4.2 Fonctionnement des stations de potabilisation Algérienne 37 II.5 CONCLUSION 38

6 CHAPITRE III : GENERALITES SUR LE PROCEDE DE COAGULATION- FLOCULATION III.1 INTRODUCTION 39 III.2 SOLUTIONS COLLOIDALES 39 III.2.1 Généralités 39 III.2.2 Structure des colloïdes 41 III.2.3 Déstabilisation des colloïdes 42 III Facteurs de déstabilisation 42 III Mécanismes de la rupture de l état colloïdal III Le potentiel Zêta 43 III.3 COAGULATION-FLOCULATION 43 III.3.1 Définition 44 III.3.2 Paramètres liés à la coagulation-floculation 45 III.3.3 Mécanisme de la coagulation-floculation 47 III.3.4 Types de coagulation-floculation utilisés 48 III Les coagulants 48 III Les adjuvants de floculation 49 III.3.5 Réactions d hydrolyse de l aluminium et mécanismes de déstabilisation 51 III.4 CONCLUSION 52 CHAPITRE IV : DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DE LA STATION IV.1 INTRODUCTION 53 IV.2 SCHEMA GLOBAL DE LA STATION 54 IV.3 DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DES OUVRAGES DE LA STATION 55 IV.3.1 Tour d homogénéisation 55 IV.3.2 Bassins d homogénéisation 55 IV.3.3 Décanteurs primaires 56 IV.3.4 Décanteurs secondaires 56 IV.3.5 Filtration gravitaire sur sable 56 IV Système de répartition à l entrée des filtres 56 IV Description et fonctionnement d un filtre 56 IV.3.6 Fonctionnement du système de lavage 57 IV.3.7 Stockage d eau filtrée 57

7 IV.3.8 Prise d échantillons 58 IV.3.9 Evacuation des purges, vidanges, trop-pleins 58 IV.4 CONCLUSION 58 PARTIE EXPERIMENTALE CHAPITRE V : PROCDURE EXPERIMENTALE V.1 INTRODUCTION 59 V.2 PREPARATION DES SOLUTIONS 59 V.2.1 Préparation des coagulants 59 V.2.2 Préparation des adjuvants 60 V.3 METHODE ANALYTIQUES 60 V.4 ESSAI DE COAGULATION-FLOCULATION «JAR-TEST» 63 V.5 CARACT2RISATION DES EAUX D APPOINT DE LA STATION DE POTABILISATION DE SKIKDA 63 V.6 CONCLUSION 64 CHAPITRE VI: OPTIMISATION DE LA DOSE DE COAGULANT VI.1 INTRODUCTION 65 VI.2 DETERMINATION DE LA DOSE OPTIMUM DE COAGULANT 65 VI.2.1 Résultat et discussion 65 VI.3 L Influence de l eau brute sur la dose optimale de coagulant 67 VI.3.1 Résultat et discussion 67 VI.4 CONCLUSION 71 CHAPITRE VII : INFLUENCE DES TRAITEMENT PARALLELES LA COAGULATION-FLOCULATION VII.1 INTRODUCTION 72 VII.2 INFLUENCE DES ADJUVANTS 72 VII.2.1 Protocole expérimental 72

8 VII.2.2 Résultat et discussion 73 VII Détermination de la dose optimale de coagulant 73 VII Utilisation des adjuvants 74 VII nfluence de la chaux éteint sur la coagulationfloculation 74 VII Influence de CAP sur la coagulation-floculation 75 VII Influence de la bentonite sur la coagulation-floculation 76 VII.3 INFLUENCE DE LA PRECHLORATION SUR LA COAGULATION- FLOCULATION 79 VII.3.1 Protocole expérimental 79 VII.3.2 Résultat et discussion 80 VII.4 CONCLUSION 82 CHAPITRE VIII : EFFET DU MELANGE COAGULANT/ARGILE DANS LA CLARIFICATION DES EAUX DE SURFACE VIII.1 INTRODUCTION 83 VIII.2 PROTOCOLE EXPERIMENTAL 83 VIII.3 ETUDE COMPARATIVE ENTRE LA BENTONITE ET SULFATE D ALUMINE SUR LA COAGULATION-FLOCULATION 84 VIII.3.1 Résultat et discussion 84 VIII.4 L INFLUENCE DU MELANGE SULFATE D ALUMINE/BENTONITE SUR LA COAGULATION-FLOCULATION 86 VIII.4.1 Résultat et discussion 87 VII.5 CONCLUSION 91 CONCLUSION GENERALE 92 REFERENCE BIBLIOGRAFIQUES

9 INTRODUCTION GENERALE

10 Introduction générale L eau est une ressource renouvelable car elle participe à un cycle. L évaporation par l énergie solaire, les précipitations et l écoulement en surface et sous terre constituent les étapes de cycle. La problématique de l eau est un problème de quantité et de qualité, c'est-à-dire de ressource et de pollution. Du point de vue de la ressource on distinguera d un coté les eaux de surface qui ont un taux de renouvellement très rapide, et de l autre les eaux souterraines qui s écoulent beaucoup plus lentement. Ce sont les eaux de source et superficielles qui vont être captée (par drains, à l exutoire naturel, par puits ou par prise d eau dans le cas des eaux superficielles), à partir de leur gisement souterrain, d un lac ou d un cours d eau, et amenées dans les usines de traitement pour être transformées en eau potable. Cependant toutes les eaux ne peuvent êtres utilisées ; elles doivent obéir à un certain nombre de critères physico-chimiques. L eau contient des substances ou des micro-organismes qui par leur nature et leur concentration peuvent êtres indispensables, acceptables, indésirables, voire toxiques ou dangereux. L eau prélevée dans le milieu naturel n est généralement pas utilisable directement pour la consommation humaine car des éléments liés à l activité de l homme peuvent être entraînés (nitrates, matières organiques, pesticides, matières en suspension, micro-organismes ). La qualité des eaux de surface ; souvent polluées, et donc très variable et ne peut être traitée qu au cas par cas par des traitements appropriés à sa nature et à son degré de pollution. Les étapes de traitement classique pour rendre l eau potable sont : - Prétraitement (dégrillage, tamisage ) - Pré chloration - Clarification (coagulation-floculation, décantation, filtration) - Désinfection - Affinage. L élimination des matières en suspension et la réduction de la matière organique sont des objectifs souvent assurés au cours du procédé conventionnel de la clarification. La coagulation-floculation conditionnera le reste du traitement et elle permet, par un processus physico-chimique comprenant l ajout de sels métalliques dénommés coagulant, de transformer la suspension colloïdale en des particules plus importantes qui sont aptes à sédimenter[1].

11 Les coagulants les plus couramment employés sont les sels d aluminium et de fer. Leur utilisation fait partie des procédés de purification des eaux depuis quelques décennies. En 1843 ; SIMPSON expérimenta l aluminium en Angletterre avant l étape de filtration, mais cette technique n a pas été immédiatement pratiquée à l échelle industrielle. La première application date de 1885, par la compagnie des eaux de Somerville et Raritan dans le Newjerzey[2]. Il est intéressant de signaler que le processus de coagulation-floculation est le traitement de clarification de plus efficace mais beaucoup n y voient qu un simple traitement visant la seule élimination de la turbidité, négligeant ainsi l élimination de la matière organique, notamment sous sa forme dissoute. L efficacité de cette étape de traitement est rattachée à la variable ph, type et dose du coagulant ainsi qu à la nature des particules et des matrices minérales et organiques. L objectif général de ce travail est l amélioration de la qualité d eaux naturelles destinées à l alimentation en eau potable par une phase d optimisation de la clarification. Notre étude se présente en deux grandes parties : La première partie de ce travail est relative à l étude bibliographique, nous avons jugé utile de rappeler dans un premier chapitre quelques généralités sur les propriétés et la pollution des eaux et en particulier la pollution des eaux utilisées pour la production d eau potable. Le deuxième chapitre traite des critères de qualité, normes de potabilisation, procédé de traitement des eaux et présente un aperçu sur la qualité et le traitement en Algérie. Le troisième chapitre donne une vue générale sur le phénomène de coagulationfloculation. En fin, un dernier chapitre est consacré à la description et au fonctionnement de la station de potabilisation «Hamadi Kroma» de la ville de SKIKDA. La seconde partie de l étude est axée sur l expérimentation et elle est présentée en quatre chapitres. Nous décrivons dans le 5 ème chapitre les différents protocoles expérimentaux mis en uvre au cours de cette étude et les résultats analytiques des caractéristiques physico-chimiques des eaux d appoint de la station de traitement des eaux de SKIKDA.

12 Le 6 ème chapitre a concerné l optimisation des eaux de la station. Des essais en laboratoire ont fixé les conditions optimales du déroulement de chaque phase de traitement. Dans le septième chapitre, nous présentons l influence des traitements parallèles à la coagulation-floclation par l utilisation d adjuvants tels que la bentonite, charbon actif poudre et la chaux, ainsi que l application de la pré chloration. Le dernier chapitre présente l influence de la bentonite dans la clarification des eaux de surface de la station de potabilisation Hamadi-Kroma par le processus de coagulation-floculation en essayant de réduire ou de remplacer le coagulant utilisé fréquemment dans le traitement des eaux par de la l argile naturelle.

13 CHAPITRE I PROPRIETES ET POLLUTION DES EAUX

14 I.1 Introduction De toutes les planètes du système solaire, la terre est la seule à être pourvue d une hydrosphère, celle-ci recouvre plus de 70% de sa superficie [3]. Schématiquement, l'eau évolue entre trois secteurs : les océans (l'hydrosphère), l'atmosphère et les sols (lithosphère). La terre recevant l'énergie solaire, l'hydrosphère chauffée s'évapore, conduisant à la présence d'eau dans l'atmosphère. Cette eau, suite à un refroidissement de l'air, se condense en gouttes ou cristaux de glace et se retrouve précipitée sous forme de pluie, neige ou grêle sur la lithosphère à la surface. Le fonctionnement de ce système conduit à définir différents types d'eau, d'usage et de composition différents [4]. Sous la pression des besoins considérables, on est passé de l emploi des eaux de source et de nappe à une utilisation de plus en plus poussée des eaux de surface. Parallèlement se sont développées les recherches des eaux souterraines, les méthodes de recyclage et maintenant on se préoccupe de plus en plus du dessalement de l eau de mer. Ces trois types d eau constituent une source importante pour la satisfaction des besoins en eau potable. L eau potable est une eau qui est apte à être consommée par l être humain, cette dernière peut être causée par des microorganismes, des substances toxiques, des contaminants biogénétiques (engrais), de la matières organiques etc. Ces éléments sont soit naturellement présents dans l environnement, soit le résultat des activités humaines, d une façon ou d une autre, la qualité de l eau potable est alors dégradée. I.2 Propriétés de l eau

15 Indispensable à la vie, catalyseur de nombreuses réactions chimiques, l eau est également le principal agent d érosion et sédimentation et donc un facteur déterminant de la formation des paysages. Le caractère banal de l eau qui nous environne, fait parfois oublier que ce liquide qui nous est si familier s avère en réalité par ses propriétés si particulières à la foi le fluide le plus indispensable à la vie et celui dont la complexité est la plus remarquable [4]. Sur la terre, l eau existe dans les trois états phases : liquide (eau proprement dite), solide (glace) gazeux (vapeur d eau). Ces trois phases coexistent dans la nature, toujours observables deux à deux, et plus ou moins en équilibre : eauglace, eau- vapeur, glace- vapeur selon les conditions de température et de pression [3]. I.2.1. Propriétés physiques possibles Le caractère polaire de la molécule d eau est à l origine d associations entre les molécules d eau ; il donnera lieu à bien des anomalies physiques que nous signalons brièvement, telles que : I La Température d ébullition : anormalement élevée, si on la compare avec celle des composés de masse moléculaire du même ordre et possédant plusieurs atomes d hydrogène. Dans les conditions normales elle est de 100 C. I La masse volumique : elle varie avec la température et la pression, mais aussi avec la teneur en sels dissous. L eau a une masse volumique de 1g/cm 3. I la viscosité : elle diminue lorsque la température croit ; par contre, elle augmente avec la teneur en sels dissous. Contrairement aux autres liquides, une pression modérée, rend l eau moins visqueuse aux basses températures [4]. I La tension superficielle : elle est définie comme une force de traction qui s exerce à la surface du liquide en tendant toujours à réduire le plus possible l étendue de cette surface. Elle est extrêmement élevée ; égale à 73erg/cm à 18 C. [5]. I la conductivité électrique: l eau est légèrement conductrice. Cette conductivité très faible, mais jamais nulle est expliquée par une légère dissolution de la molécule d eau selon l équation chimique : Elle est exprimée en µs/cm I.2.2. Propriétés chimiques de l eau 2H 2 O H 3 O + + OH - L énergie de formation de la molécule d eau, 242kJ/mol, est élevée. Il s ensuit que l eau possède une grande stabilité. Cette stabilité, associée aux

16 propriétés électriques et à la constitution moléculaire de l eau, la rend particulièrement apte à la mise en solution de nombreux corps gazeux, liquides polaires, et surtout solide. La plupart des substances minérales peuvent se dissoudre dans l eau, ainsi qu un grand nombre de gaz et de produits organiques. La solvatation (ou action hydratante de l eau) est le résultat d une destruction complète ou partielle des divers liens électrostatiques entre les atomes et les molécules du corps à dissoudre, pour les remplacer par de nouveaux liens avec les molécules d eau, et forger ainsi des nouvelles structures : il se produit une véritable réaction chimique (une solvatation complète est une dissolution) [4,5]. I.2.3 Propriétés biologiques de l eau L eau, l oxygène et le dioxyde de carbone contribuent à créer des conditions favorables au développement des être vivants [6]. Il existe un cycle biologique, cycle au cours duquel s effectue une série d échanges ; l eau entre pour une grande part dans la constitution des êtres vivants. I.3 Ressources hydriques naturelles Les réserves disponibles d eaux naturelles sont constituées des eaux souterraines (infiltration, nappe), des eaux de surface retenues ou en écoulement (barrages, lacs, rivières) et des eaux de mer. I.3.1. Eaux souterraine Du point de vue hydrogéologique les couches aquifères se divisent en : Nappes phréatiques ou alluviales :peu profondes et alimentées directement par les précipitations pluvieuses ou les écoulements d eau en dessus. Nappes captives : plus profondes que les premières et séparées de la surface par une couche imperméable, l alimentation de ces nappes est assurée par l infiltration sur leurs bordures [7]. La nature du terrain sous lequel se trouvent ces eaux est un déterminant de leurs compositions chimiques, cependant elles sont appelées aussi les eaux propres car ils répondent en général aux normes de potabilité. Pourtant, ces eaux sont moins sensibles aux pollutions accidentelles, elles perdent totalement leur pureté originale dans le cas de contamination par des polluants. Quand une eau souterraine contient une concentration en certains minéraux dépassant les normes de potabilité, mais elle représente des propriétés

17 thérapeutiques on la distribue en bouteilles avec parfois un traitement bien définit, ces eaux sont dites eaux minérales [5]. I.3.2. Eaux de surface Ce type des eaux englobe toutes les eaux circulantes ou stockées à la surface des continents (rivières, lacs, étangs, barrages, ). La composition chimique des eaux de surface dépend de la nature des terrains traversés par ces eaux durant leurs parcours dans l ensemble des bassins versants. Ces eaux sont le siège, dans la plupart des cas, d un développement d une vie microbienne à cause des déchets rejetés dedans et de l importante surface de contact avec le milieu extérieur. C est à cause de ça que ces eaux sont rarement potables sans aucun traitement [5]. Le tableau I.1 donne les éléments caractéristiques des eaux de surface par rapport aux eaux souterraines. Tableau I.1 principales différence entre eaux de surface et eaux souterraines. D après [5] Caractéristique Eaux de surface Eaux souterraines Température Variable suivant saisons Relativement constante Turbidité Variable, parfois élevée Faible ou nulle (sauf en terrain karstique)

18 couleur Liée surtout aux MES Liée surtout aux matières sauf dans les eaux très en solution (acides douces et acides (acides humique ) humiques) Minéralisation globale Variable en fonction des Sensiblement constante terrains, des en général nettement plus précipitations, des élevée que dans les eaux rejets de surface de la même région Fer et Manganèse dissous Généralement absents Généralement présents nitrates Peu abondants en général Teneur parfois élevée Micropolluants minérauxprésents dans les eaux de Généralement absents et organiques pays développés, mais mais une pollution susceptibles de accidentelle subsiste disparaître rapidement beaucoup plus longtemps après suppression de la source Eléments vivants Bactéries, virus Ferrobactéries fréquentes I.3.3. Eaux de mers et océans : Les mers et les océans constituent des énormes réservoirs d eau, elles représentent près de 97.4%du volume d eau existant actuellement sur notre planète, le reste est la part des eaux continentales (eaux souterraine et superficielles). Les eaux de mers sont caractérisées par une grande salinité, elles sont dénommées aussi «eaux saumâtres», ce qui rend leur utilisation difficile, notamment leur coût très élevé pour leur traitement[4]. I.4 Pollution des eaux La pollution des eaux peut être définie comme une dégradation de celle-ci par les éléments qu elle a accumulée de son utilisation. Ces éléments indésirables proviennent des excréments chimiques, des rejets provenant d industries divers, du lessivage des terrains traversées. Le problème de la pollution des eaux représente sans aucun doute l un es aspects les plus inquiétants de la dégradation du milieu naturel. I.4.1. Origine de la pollution I L industrie

19 Les activités industrielles rejettent un bon nombre de substances qui vont polluer nos rivières et nos nappes, parfois d une manière intensive que l on n en connaît pas les effets à long terme [4]. Les rejets industriels renferment des produits divers sous forme insoluble ou soluble d origine minérale et/ou organique, à caractère plus ou moins biodégradable et parfois toxique même à très faible concentration. I L agriculture Elle utilise des engrais chimiques azotés et phosphorés, des produits phytosanitaires destinés à protéger les cultures, ces produits parfois toxiques lorsqu ils sont utilisés en excès vont contaminer en période de pluie les eaux de surface et les eaux souterraines par infiltration [8]. I Pollution domestique Nos eaux usées urbaines sont constituées de matière organique biodégradable certes mais de grandes consommatrices d oxygène, de germes pathogènes et de produits chimiques [5]. I Pollution par les eaux pluviales Il ne faut pas oublier par ailleurs la pollution générée par les eaux pluviales. L eau de pluie se charge d impuretés au contact de l air (fumées industrielles). I Pollution d origine naturelle Certaines substances naturellement présentes dans l environnement entraînent parfois des problèmes de contamination de l eau potable. Des composés inorganiques comme le baryum, l arsenic, les fluorures, le sodium, les chlorures, le mercure, le cadmium et les cyanures peuvent contaminer l eau potable. L eau souterraine est particulièrement vulnérable lorsqu il y a présence de métaux dans les formations géologiques environnantes [8]. I Pollution par les substances associées au traitement de l eau La chloration de l eau dans le but de la rendre potable est un procédé très répondu et reconnu efficace. La chloration est même considérée par les experts comme étant l une des plus importantes initiatives de santé publique du XX e siècle. Cependant, bien qu il soit efficace pour contrôler principalement les virus et les bactéries, le chlore, en présence de matières organiques, entraîne la formation de plusieurs sous-produits de chloration (SPC) potentiellement cancérigènes comme par exemple les trihalométhanes(thm). Le sulfate d aluminium est un produit utilisé pour coaguler les substances contenues dans l eau. L eau ainsi traitée présente des concentrations d aluminium

20 plus élevées que dans l eau non traitée. La toxicité de l aluminium a été étudiée en relation avec la maladie d Alzheimer qui influe sur la mémoire et le comportement des personnes atteintes. I.4.2. Les principaux polluants des eaux naturelles I Polluants physiques La pollution physique représente les éléments solides entraînés par l eau. Ils se subdivisent en plusieurs catégories selon leur nature et leur dimension. I Les éléments grossiers Leur dimension est suffisamment grande pour être retenue par de simples grilles. Dans les eaux de surface, ces éléments sont général : les brindilles, les feuilles, les arbres etc. I Les sables Les sables sont des particules minérales d une certaine dimension. Ils sont généralement à base de silice ou de composition minérale équivalente. Leur masse spécifique est de 2,5 à 2.6g/cm 3, ce qui permet leur élimination par simple décantation [9]. I Les matières en suspension (MES) Les matières en suspension rencontrées dans les eaux (essentiellement superficielles) sont très diverses tant par leur nature que leur dimension.elles sont constituées de quartz, d argiles, de sels minéraux insolubles, de particules organiques composées de micro-organismes, et de produits de dégradation animaux ou végétaux[10].

21 Selon leur dimension : Les états dispersés que l on peut diviser en suspension et état colloïdal, se distinguent de l état dissout, notamment par les dimensions particulaires. La Figure I.1 donne en première approximation, une échelle de dimensions particulaires et les états correspondants. Figure I.1 Etats dispersés- états dissous. D après [10] Selon leur nature : La nature des matières solides en suspension peut être soit minérale soit organique. Les polluants minéraux constituent une gêne physique pour l environnement mais n évoluent pas dans le temps. Les rejets minéraux colmatent les sols sur lesquels ils sont évacués aboutissant ainsi à l asphyxie de ce sol ou contribuent a une pollution par leur volumes (dépôts) ainsi que les polluants organiques évoluent qui ont besoin d oxygène et qui dégageront des odeurs par putréfaction dans ce cas les métabolismes continuent créant des besoins et occasionnant des rejets qui gênent l environnement ces éléments doivent être traités avant leur évacuation [9]. I polluants chimiques La pollution chimique d une eau est autrement plus complexe et peut provenir de plusieurs sources. On distingue selon la nature de la pollution chimique : Les éléments chimiques minéraux. Les éléments chimiques organiques.

22 I Les éléments chimiques minéraux L eau étant un très bon solvant permettra la mise en solution de nombreux composés avec lesquels elle sera en contact. La dissolution des sels, la corrosion des métaux et dissolution des acides et des bases sont des phénomènes qui donnent lieu à des eaux de rejets caractérisées par certaines formes de pollution dont les plus représentatives sont : a) La température : L évolution de la température dépend du mode d utilisation de l eau avant son rejet et surtout le parcours de l eau avant l exutoire ou la station d épuration. En général l eau doit être évacuée vers l environnement à des températures inférieures a 30 C une eau plus chaude constitue une pollution [11]. b) Le ph: Le ph d une eau est du a la concentration de cette eau en ions H + ou OH - une eau équilibrée aura un ph neutre de 7. Des variations trop élevées du ph par rapport à cette valeur moyenne de 7 constitue une pollution. Des eaux dont le ph présente de grands écarts par rapport à la neutralité sont polluées [11]. c) Les sels : Dans beaucoup de procédé de production ainsi que lors de l élaboration des matières, il se forme parfois des sels en grandes quantités, avant tout des chlorures, des nitrates, des sulfates et des phosphates, qui ont une grande importance vis-à-vis l environnement [3]. -- Les nitrates (NO - 3) : les nitrates sont présents naturellement dans les eaux, les apports excessifs ou mal maîtrisés d engrais azotés provoquent une augmentation des nitrates dans les ressource. Les nitrates se transforment en nitrite dans l estomac. Ces nitrites peuvent provoquer la transformation de l hémoglobine du sang en méthémoglobine, impropre à fixer l oxygène. Ce phénomène est à l origine de cyanoses, notamment chez les nourrissons. La consommation d eau chargée en nitrates ou nitrites par la femme enceinte ou le nourrisson peut constituer un risque pour le nouveau-né [12]. -- Les chlorures : en plus de l agressivité et de la minéralisation qu ils confèrent à ces eaux, des taux élevés modifient la saveur de l eau et contribuent aux dépôts de sels néfaste pour l agriculture[9].

23 -- Les sulfates (SO 2-4) : en plus des inconvénients qui caractérisent les chlorures, les sulfates participent au métabolismes des bactéries contenues dans l eau, les bactéries contenues dans l eau, les bactéries sulfato-réductrice transforment les sulfates en sulfures avec dégagement de gaz sulfureux( ufs pourris) créant des désagréments à l environnent[9]. d) Les métaux lourds : Les métaux lourds, qui parviennent dans les eaux, font partie des polluants de l eau, les métaux lourds existent sous formes dissoute et en suspension ainsi que sous une forme difficilement soluble dans les sédiments [3]. I Les matières organiques : La matière organique est principalement issue de la décomposition des végétaux, des animaux et des microorganismes. Il est donc difficile d en donner une description précise ou une composition moyenne. Elle participe à beaucoup de paramètres de qualité de l eau : couleur, sous produits de désinfection, odeurs, saveurs etc. I polluants microbiologiques : L eau peut contenir des micro-organismes pathogènes (des virus, des bactéries, des parasites). Il sont dangereux pour la santé humaine, et limitent donc les usages que l on peut faire de l eau. I.5 Conclusion L eau est la plus répandue sur terre. Elle qui est un élément indispensable à toute forme de vie. D un point de vue chimique, l eau, lorsqu elle est pure, est un liquide inodore, transparent et insipide. D un point de vue biologique, c est dans l eau que la vie est apparue et c est grâce à elle se maintient. En effet, l organisme humain peut vivre pendant près d un mois sans manger mais ne peut survivre que quelques jours sans boire. L eau potable est une eau qui est apte à être consommée par l être humain, cette dernière peut contenir des substances polluantes, c est pourquoi, elle à besoin d être protégée, traitée et économisée.

24 CHAPITRE II LA QUALITE ET LE TRAITEMENT DES EAUX DE SURFACE

25 II.1. Introduction Les eaux de surface ne sont pratiquement jamais potables sans aucun traitement du fait des divers substances d origine naturelle ou apportées par la pollution. Pour améliorer leur qualité (potabilité), elles nécessitent des traitements appropriés c'est-à-dire leur faire subir des modifications physicochimiques ou biologiques, dans une chaîne de traitement classique [5]. Au cours de ce chapitre, nous décrivons donc successivement les principales caractéristiques physico-chimiques et biologiques des eaux naturelles. La majeure partie de la clarification de l eau se fait au niveau de l étape coagulation-floculation, ce qui constitue un traitement fondamental pour une eau destinée à la consommation. De plus le développement des techniques de décantation et de filtration des eaux a permis la réduction de la taille des équipements. II.2. Les paramètres de qualité des eaux II.2.1. Les paramètres organoleptiques Il s'agit de la saveur, de la couleur, de l'odeur et de la transparence de l'eau. Ils n'ont pas de signification sanitaire mais, par leur dégradation, peuvent indiquer une pollution ou un mauvais fonctionnement des installations de traitement ou de distribution. II Turbidité La turbidité est la mesure de l aspect trouble de l eau.c est la réduction de la transparence d un liquide due à la présence de matières non dissoutes. Elle est causée, dans les eaux, par la présence de matières en suspension (MES), comme les argiles, les limons est les micro-organismes. Une faible part de la turbidité peut être due également à la présence de matières colloïdales d origine organique ou minérale [13,14]. La turbidité résulte de la diffusion de la lumière qui est ainsi déviée dans toutes les directions.ce sont des particules en suspension dans l eau qui diffusent la lumière. Leur origine peut être extrêmement variable : érosion des roches, entraînement des matières minérales ou organiques du sol, déversement d eaux usées domestiques ou industrielles riches en matières en suspension grossières. Pour mesurer la turbidité on utilise certains instruments [15,16].

26 --Le turbidimètre de Jackson (méthode visuelle). --L opacimètre --Le turbidimètre de Hellige --Le néphélémétre de Hach La turbidité est mesurée par trois unités qui sont équivalentes: Unité J.T.U (Jackson turbidity unit) = Unité F.T.U (Formazine turbidity unit)=unité N.T.U (Néphélémétric turbidity unit) La mesure de la turbidité, très utile pour le contrôle d un traitement, ne donne pas d indications sur la nature, la concentration et la taille des particules en suspension qui en sont responsable. Cette turbidité doit être éliminée pour améliorer l aspect esthétique de l eau de consommation mais aussi pour permettre une désinfection efficace et éviter les dépôts dans l usine ou dans le réseau. En effet, les MES peuvent servir de support aux microorganismes qui seront ainsi partiellement protégés de l action des désinfectants et qui pourront ensuite se développer dans les réseaux et entraîner des problèmes sanitaires [14]. II La couleur Les eaux naturelles sont toujours plus ou moins colorées.leur couleur varie du jaune paille à peine perceptible au brun rougeâtre, selon la nature et la concentration des matières colorantes. Ces matières sont le plus souvent d origine naturelle et proviennent de la dégradation de matières végétales. Le degré de couleur dépend non seulement de la concentration en matières colorantes, mais aussi du ph et de la turbidité [17]. La mesure de la couleur d une eau naturelle se fait par comparaison avec une échelle artificielle de couleur. La substance de référence choisie est le chloroplatine de potassium (K 2 PtCl 6 ) dans une solution de chlorure de Cobalt (CoCl 2 ).L unité de couleur est le Hazen correspondant à un mg/l de platine sous forme de (K 2 PtCl 6 ). On l appelle aussi unité platino-cobalt ou unité de couleur vraie (ucv). Pour une eau potable, le degré de couleur maximale est de 15 Ucv [15,18]. II Goût et odeur

27 L odeur peut être définie comme étant l ensemble des sensations perçues par l organe olfactif en flairant certaines substances volatiles. Le goût est défini comme l ensemble des sensations gustatives, olfactives et de sensibilité chimique commune perçues lorsque l aliment ou la boisson est dans la bouche [15]. Ces deux paramètres sont regroupés et font appel aux mêmes types de traitement (adsorption, oxydation, filtraion ). La saveur et l odeur anormales sont causées par la présence dans l eau des matières organiques dissoutes provenant de la décomposition des matières organiques végétales, de résidus agricoles, de rejets urbains ou industriels et les métabolites de certains microorganismes vivant dans l eau comme certaines algues ou champignons microscopiques, et aussi certains sels minéraux donnent des goûts particuliers à l eau. Dans le cas d une eau potable, l apparition ou le changement de goût et d odeur peuvent être signe d activité microbienne et de lacune dans le traitement ou de contamination dans le réseau de distribution. Par ailleurs, une eau traitée peut avoir un goût plus prononcé qu une eau non potable du fait du chlore résiduel [14, 15, 17]. II.2.2. Les paramètres en relation avec la structure de l'eau Ce sont eux qui font l'identité de base de l'eau. Ils sont essentiellement représentés par les sels minéraux (calcium, sodium, potassium, magnésium, sulfates...) ou par des indicateurs plus globaux comme la conductivité électrique, qui permet d'avoir une idée de la salinité de l'eau, et le titre alcalimétrique, qui permet d'apprécier la concentration de tous les carbonates et bicarbonates dans l'eau. II La température La température joue un rôle dans la solubilité des sels et surtout des gaz, dans la dissociation des sels dissous donc sur la conductivité électrique, dans la détermination du ph, pour la connaissance de l origine de l eau et des mélanges éventuels etc... Pour l eau potable, la température maximale acceptable est de 15 C. Dans les eaux naturelles et au dessus de 15 C, il y a risque de croissance accélérée de microorganismes, d algues, entraînant des goûts et des odeurs désagréables ainsi qu une augmentation de la couleur et de la turbidité.

28 La température est un paramètre important dans l étude et la surveillance des eaux quelles soient souterraines ou superficielles, les eaux souterraines gardent généralement une fraîcheur constante, mais la température des eaux de surface varie selon plusieurs facteurs, saisonniers et autres [15, 19, 20]. II La dureté La dureté ou titre hydrotimétrique correspond essentiellement à la présence de sels de calcium et de magnésium. Elle est directement liée à la nature des terrains traversés. Ils proviennent des roches calcaires ou dolomitiques. Dans une eau naturelle, on peut distinguer différents types de dureté: - dureté totale : somme des concentrations en calcium et magnésium ; - dureté calcique : concentration globale en calcium ; - dureté magnésienne : concentration globale en magnésium Les ions calcium et les ions magnésium sont positifs, donc dans l eau, ils peuvent se lier à d autres ions négatifs ; de ce fait on peut diviser la dureté en deux catégories : - dureté permanente ou non carbonatée : dureté qui persiste après ébullition de l eau et qui correspond uniquement aux sels de calcium et de magnésium solubles à chaud, sous forme de chlorures et de sulfates, car les hydrogénocarbonates sont décomposés et précipitent sous forme de carbonate de calcium ; - dureté carbonatée ou temporaire : dureté qui correspond aux sels de calcium sous forme d hydrogénocarbonates, et qui est la différence entre la dureté totale et la dureté permanente[14,21] La pollution peut aussi, dans une certaine mesure augmenter la dureté de l eau ; c est le cas dans certaines régions ou le chlorure de calcium CaCl 2 est utilisé massivement pour faire fondre la neige. La dureté calcique et la dureté magnésienne peuvent s exprimer en mg/l de Ca et en mg/l de Mg. Ces diverses teneurs ne peuvent évidemment pas être additionnées et pour calculer la dureté totale, on doit exprimer la concentration de chaque ion participant dans une unité commune. La dureté s exprime généralement en degré Français ou en milliéquivalents/l : 1 F=5meq/l 1 F= 4mg/l de Ca ou 2.43mg/l de Mg ou 10mg/l de CaCO 3.

29 La mesure de la dureté se fait par une réaction de complexation entre les ions Ca² + et Mg² + et une substance d acide éthylène diamine tétracétique(edta) en présence d un indicateur coloré (noir Eriochrome T) [15,22]. II Le ph Le ph correspond, pour une solution diluée, à la concentration d ions d hydrogène.il mesure l acidité ou la basicité d une eau. Le ph d une eau naturelle dépend de l origine de celle-ci et de la nature des terrains traversés. Dans le domaine de l eau, le ph joue un rôle primordial à la fois dans : Les propriétés physico-chimiques (acidité, agressivité) Les processus biologiques dont certains exigent des limites très étroites des ph ; L efficacité de certains traitements (coagulation, adoucissement, contrôle de la corrosion, chloration). Les mécanismes de la coagulation La détermination du ph est donc la mesure que l on doit effectuer le plus fréquemment. Pour mesurer le ph, on utilise un ph mètre [15,19]. II L alcalinité L alcalinité d une eau correspond à sa capacité à réagir avec les ions hydrogène (H) qui est due à la présence des ions hydrogénocarbonate (HCO 3 ), carbonate 2 (CO 3 ) et hydroxyde (OH ). Autrement dit, on est amené à considérer deux types d alcalinité qui correspondent, encore une fois à deux bornes de ph : - alcalinité au virage du rouge de méthyle : elle correspond à l alcalinité totale 2 au ph de 4.5, ce qui revient à déterminer les ions HCO 3, CO 3 alcalinité se nomme également titre alcalimétrique complet TAC. et OH. Cette - alcalinité au point de virage de la phénophtaléine (alcalinité composite) : elle correspond à l alcalinité entraînée par les ions OH et à la moitié des ions 2 CO 3. Cette alcalinité composite est nulle pour une eau dont le ph est inférieur ou égal à 8.3. L alcalinité composite se nomme également titre alcalimétrique (TA) [15, 17,19].

30 II La conductivité La conductivité, caractéristique physico-chimique de l eau liée à la concentration des substances dissoutes et à leur nature. Les matières organiques et colloïdes ne présentent qu une faible conductivité. Elle varie avec la température. La conductivité électrique d une eau est la conductance d une colonne d eau comprise entre deux électrodes métalliques de 1 cm² de surface et séparées l une de l autre de 1 cm. La conductivité électrique s exprime en micro siemens/cm La mesure de la conductivité permet d avoir très rapidement une idée sur la concentration des sels dissous dans l eau. Une conductivité élevée traduit soit des ph anormaux, soit le plus souvent une salinité élevée [15,14]. II Sodium et potassium Le sodium et le potassium les 6éme et 7éme éléments les plus abondants à l état naturel sont en proportions très variables. Aucune norme ne limite la concentration en sodium (ou en potassium) dans les eaux potables.on peut également signaler que le sodium joue un rôle important en agriculture,pour l irrigation,du fait de son action sur la perméabilité des sols. Le potassium, beaucoup moins abondant que le sodium, et rarement présent dans l eau à des teneurs supérieurs à 20 mg/l.il ne représente aucun inconvénient particulier bien que le K soit une des sources possibles de radioactivité de l eau [16.23]. II Les chlorures L eau contient presque toujours des chlorures, mais en proportion très variable. Ainsi, les eaux provenant des régions granitiques sont pauvres en chlorures, alors que les eaux des régions sédimentaires en contiennent davantage. D ailleurs, la teneur en chlorures augmente généralement avec le degré de minéralisation d une eau. Certaines eaux souterraines sont très saumâtres. Il en est de même pour les nappes souterraines voisines des eaux de surface salines, surtout s il y a pompage excessif de ces nappes [15,22].

31 II Les sulfates Les eaux naturelles contiennent pratiquement des sulfates, en proportion très variables. Leur présence résulte de la solubilité ses sulfates de calcium des roches gypseuses et de l oxydation des sulfures répandus dans les roches (les pyrites par exemple). Les eaux traitées au sulfate d aluminium ajouté lors du traitement en mesurant la teneur en sulfates avant et après la coagulation, bien qu une légère fraction d ions SO 4 ² soit entraînée par adsorption avec le floc [20]. II.2.3. Les paramètres indésirables Sont dites indésirables certaines substances qui peuvent créer soit un désagrément pour le consommateur : goût et odeur (matières organiques, phénols, fer...), couleur (fer, manganèse...), soit causer des effets gênants pour la santé (nitrates, fluor ). On surveille donc prioritairement la contamination des eaux par des matières organiques (mesurée par l'oxydabilité au permanganate de potassium), la concentration en ammonium, la présence de nitrites et de nitrates et la concentration en fer. II Les matières organiques a) L oxydabilité au permanganate de potassium (KMnO 4) Cette mesure renseigne sur la concentration en matières organiques présentes dans une eau peu chargée.on utilise un oxydant, le permanganate de potassium (KMnO 4 ), qui, dans des conditions opératoires précises, va oxyder des molécules présentes dans l eau. Ces molécules sont essentiellement des molécules organiques mais des molécules minérales peuvent être également oxydées et l on devrait parler plutôt de matières oxydables. Le KMnO 4 n attaque pas toutes les molécules organiques mais il est très utilisé pour suivre l évolution de la matière organique dans une station de traitement. L oxydation des matières organiques et des substances oxydables est effectuée par le permanganate de potassium à chaud ou à froid. La méthode à chaud est la plus utilisée à cause de sa rapidité [15.14]. b) Absorbance UV 254 nm: La mesure de l absorption à 254 nm est un indice caractéristique des substances possédant une ou plusieurs doubles liaisons (carboxyliques, benzéniques..). La mesure de l absorbance peut nous renseigner sur le contenu

32 organique d une eau, notamment la fonction aromatique. L absorbance (densité optique) lue sur un spectrophotomètre peut permettre une estimation de la teneur en substances humiques d une eau naturelle (eau de surface) [16]. c) Le carbone organique total (COT) Le COT est défini comme la concentration en mg de carbone/l d échantillon, c est une méthode directe pour mesurer la teneur en matières organiques d une eau. Il consiste à brûler l échantillon d eau à 950 C sous l action de l oxygène gazeux et de mesurer le CO 2 dégagé, et par suite de mesurer le carbone total (organique et minéral).le COT est une méthode rapide et présente plusieurs avantages tels que : on peut analyser l eau quelle que soit sa qualité (de forte salinité, acide, basique, ou contient des composés toxiques).mais malgré ses avantages, il exige un appareillage coûteux [5,10]. Si on fait le bilan de toutes les formes du carbone contenu dans une eau naturelle, on a donc le schéma suivant : CARBONE TOTAL (CT) CARBONE MINERAL CARBONE ORGANIQUE TOTAL (COT) H 2 CO 3 CO 3 2 Carbone organique dissous Carbone particulaire HCO 3 (COD) La détermination du carbone organique total (COT) ou dissous (COD) passera donc par l élimination du carbone minéral avant la mesure, ou par sa soustraction du carbone total. Le principe de la mesure du carbone organique dans les eaux consiste en une minéralisation par oxydation des matières organiques (M.O), suivi de la mesure de CO 2 libéré.

33 d) La demande chimique en oxygène (DCO) C est une mesure de toutes les matières organiques (ou presque) contenues dans les eaux naturelles ou usées, qu elles soient biodégradables ou non biodégradables. L oxydation est effectuée ici dans des conditions énergiques, par voie chimique. Elle se fait sous l action d un oxydant puissant (bichromate de potassium), en milieu acide fort (H 2 SO 4 ) et au reflux pendant deux heures. La DCO constitue donc un paramètre important. C est un test rapide, très utile pour la surveillance des eaux usées et des rejets industriels (surtout ceux à caractère toxique qui se prête mal aux mesures de DCO, exprimée, elle aussi en mg/l d oxygène, diffère de celle de la DBO. Elle est généralement supérieure, surtout pour les eaux usées domestiques, mais il y a souvent un rapport à peu prés constant entre les deux (de l ordre de 1,5 à 2) [16,25]. e) La demande biochimique en oxygène (DBO 5 ) L oxydation des composés organiques biodégradables par les microorganismes entraîne une consommation d oxygène ; le milieu exerce donc une certaine demande biochimique d oxygène. La mesure de cette DBO permet d évaluer le contenu d une eau en matières organiques biodégradables et donc, dans une certaine mesure, sa qualité ou son degré de pollution. La dégradation complète des matières organiques peut être relativement longue (plusieurs semaines). D autre part, l oxydation des dérivées ammoniacaux et des nitrites en nitrates (nitrification) absorbe également de l oxygène. Cette nitrification, dans les eaux naturelles, ne débute qu au bout d une dizaine de jours. Pour ces deux raisons, on mesure la DBO en 5 jours, ou DBO 5, c'est-àdire la quantité d oxygène consommée ; pendant ce laps de temps, pour l oxydation partielle des matières organiques biodégradables sous l action des microorganismes[16,25,10]. II L azote L élément azote existe principalement sous forme ionique, à savoir NH + 4, NO et NO 3. La pollution en ions NH + 4 existe principalement pour les eaux de surface. Leur oxydation conduit à la formation d ions NO - 2. Ils sont en équilibre avec la forme gazeuse NH 3. Ces deux espèces sont très toxiques pour la faune aquatique et problématique pour la santé publique. Elles induisent une prolifération bactérienne sur le réseau, pour conséquence, la dégradation des

34 qualités organoleptique de l eau et la corrosion des canalisations. Mais les nitrates sont la principale source d inquiétude. Ces ions se transforment en milieu acide faible et à hauteur de 5%, en ions nitrites. Ceux-ci sont toxiques pour l organisme humain. Ce sont des agents vasodilatateurs puissants qui causent vertiges et hypotension. Ils s oxydent au niveau des ions ferreux de l hémoglobine pour redonner des nitrates. On obtient alors de la méthémoglobine (MetHb) contenant des ions ferriques incapables de transporter les molécules d oxygène [7,19]. II Certains métaux a) Le manganèse est généralement associé au fer mais en quantité plus faible.c est le Mn² + qui est soluble dans les eaux naturelles bien que le manganèse présente de nombreux autres états d oxydation. La teneur en Mn est limitée à 0,05mg/l dans les eaux potables pour le goût qu il peut communiquer, pour les taches et les dépôts qu il peut occasionner et aussi parce qu il favorise la croissance de certains micro-organismes. (La teneur souhaitable est inférieure ou égale à 0,01mg/l [15,23]. b) Le Cu ou le Zn présentent peu d inconvénients, du moins lorsque les concentrations sont faibles. D autres comme le cadmium, le chrome, le mercure, le plomb ou le sélénium ont un caractère toxique marqué et leurs concentrations maximales acceptables dans l eau potable sont très faibles [22]. c) Le fer est, lui aussi, un élément essentiel à la santé de l homme; certaines eaux souterraines en contiennent une forte proportion. Le fer ferreux est soluble dans l eau alors que le fer ferrique l est très peu et tend à précipiter sous forme d hydroxyde.sous l action de l oxygène, le fer ferreux s oxyde en fer ferrique et il est difficile de les doser séparément.il est tout aussi difficile de distinguer nettement entre fer en solution, en suspension, à l état colloïdal, sous forme de complexes minéraux ou organiques. Le fer contenu dans l eau provient des roches et des sols mais aussi, bien souvent, des tuyauteries lors de l échantillonnage ; ce qui peut fausser considérablement les résultats de l analyse. Dans l eau potable, la teneur maximale acceptable est de 0,3mg/l et l objectif est inférieur à 0,05mg/l [17,26].

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