BAALAOUI Rime. DOILLON Charlotte. GALLAND Purdey. TABARY Florian. Bureau d études. Evaluation de la qualité physico-chimique du cours d eau le Sonnant
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- Cécile Mongeau
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1 BAALAOUI Rime DOILLON Charlotte GALLAND Purdey TABARY Florian Bureau d études Evaluation de la qualité physico-chimique du cours d eau le Sonnant Le 5 décembre 2013
2 Sommaire Introduction... 3 I-Expertises sur le terrain a) Le site retenu... 4 b) Les différents points de prélèvements... 5 c) Les mesures sur le terrain... 7 II-Mesures en laboratoire a) Mesure des Matières En Suspension (MES 4 ) et de la turbidité b) Etude de la Matière Organique (MO 6 ) c) Mesure des nutriments III- Calculs de cohérence a) La turbidité et la MES b) Calculs de flux IV-Analyses en corrélation avec les SEQ a) Evaluation de la qualité de l eau b) Aptitude de l eau c) Evaluation de l efficacité de la station d épuration Conclusion Glossaire Bibliographie Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 2
3 Introduction Ce présent document présente une analyse physico-chimique du cours d eau le Sonnant. Ce ruisseau prend sa source au pied du pic de Chamrousse et traverse notamment la ville d Uriage en Isère. Cette étude consiste à estimer la qualité de l eau de la rivière pour évaluer l impact des polluants qu elle contient sur le milieu naturel, que ce soit la faune ou la flore. Dans le cadre de cette analyse, différentes valeurs de paramètres obtenues par prélèvements d eau du Sonnant ont été comparées avec des grilles de référence établies par les agences de l eau (les SEQ 1, les Systèmes d Evaluation de la Qualité de l eau). Ces grilles permettent de lier les propriétés du milieu à des usages potentiels et donnent notamment un état environnemental du ruisseau. Afin d effectuer une évaluation complète de la qualité de ce cours d eau, il faut réaliser des analyses sur l eau, mais également des analyses sur les organismes et sur les sédiments. Cette étude se borne aux analyses physico-chimiques de l eau du Sonnant. Dans une première partie, le contexte et le choix des points de prélèvements seront explicités et expliqués, puis les résultats des mesures effectuées seront développés. Enfin, dans un troisième et dernier temps, la qualité de l eau du Sonnant sera évaluée et l efficacité de la station d épuration au jour du prélèvement pourra être discutée. Il est à noter que tout au long de ce rapport, des petits calculs permettront de vérifier la cohérence des résultats. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 3
4 I-Expertises sur le terrain. a) Le site retenu Au cours de cette étude, nous avons cherché à évaluer la qualité de l eau du Sonnant, un ruisseau traversant Uriage. Ce ruisseau est particulièrement intéressant puisqu il peut être le témoin de l influence de l activité humaine sur les cours d eau. En effet, sont rejetées dans ce cours d eau, les eaux de la station d épuration traitant les eaux usées des villes d Uriage, de Saint Martin d Uriage et de ses environs, ainsi qu un surplus d eau utilisée par les thermes de la ville. Les prélèvements ont été réalisés le 19 novembre 2013, jour pour lequel le débit du ruisseau était considéré comme normal. Il est à noter que le bassin versant est de 26 km². Le ruisseau a ainsi été découpé en différents tronçons de manière stratégique. La stratégie de partition est expliquée dans une autre partie de ce présent rapport. La carte (illustration 1) présente les différents points de prélèvements choisis pour déterminer correctement la qualité de l eau de ce ruisseau. Illustration 1 : Site retenu avec les divers points de prélèvements. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 4
5 b) Les différents points de prélèvements La campagne de mesures a été réalisée entre un endroit en amont du ruisseau, le point de prélèvement numéro 1 et un endroit en aval du ruisseau, le point de prélèvement numéro 4. On associe à cet ensemble de points de mesures (illustration 2), des caractéristiques bien précises qui doivent permettre l analyse de l impact des activités humaines ou des aléas du terrain (confluence de ruisseaux). Désignation du point de prélèvement Caractéristique du lieu de prélèvement Altitude Point de prélèvement 1 En amont des thermes (Uriage) 400 Point de prélèvement 2 En aval des thermes 400 Point de prélèvement 3 Avant la STEP 300 Point de prélèvement 4 Après la STEP 200 Echantillon IN Effluent entrant (STEP) NR Echantillon OUT Effluent sortant (STEP) NR Illustration 2 : Récapitulatif des caractéristiques des points de prélèvements. Nous avons choisi le premier point de cette campagne de prélèvement pour cette étude en amont des thermes d Uriage (illustration 3). Il s agit du point de prélèvement n 1. Ce prélèvement servira d échantillon de référence. Le point suivant, appelé point de prélèvement n 2, se situe en aval des thermes d Uriage (illustration 4). Ces deux prélèvements sont effectués à la même altitude, environ 400 mètres. Il est important de connaitre cette donnée puisque l altitude, par le paramètre de pression associée, est un facteur influent sur certains paramètres tels que la concentration en oxygène dissous. Illustration 3 : Point de prélèvement n 1. Illustration 4 : Point de prélèvement n 2. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 5
6 Il est intéressant d effectuer des prélèvements encadrant la station thermale afin d observer ses impacts sur le Sonnant. En effet, les thermes utilisent, pour ses propriétés curatives, une eau naturellement riche en sels minéraux, notamment en souffre et à une température de 27 C environ. L eau excédentaire des thermes est déversée dans le Sonnant. En ce point, le lit de la rivière a diminué de moitié, il y a une importante présence de végétation. Cela indique que le système est en eutrophisation 2. Il y a plusieurs années, quelques maisons d Uriage étaient mal raccordées au système d assainissement et rejetaient alors des nitrates et du phosphore dans le Sonnant. Ces apports nutritifs semblent être à l origine de l état actuel de la rivière à l endroit considéré. Par la suite, un prélèvement d un échantillon en amont de la STEP 3 d Uriage est effectué. Ce point correspond au point de prélèvement n 3. En ce point (illustration 5), la Sonnant a été rejoint par deux autres cours d eau. Le point de prélèvement suivant est situé juste avant la ville de Gières, après la station d épuration et correspond au point de prélèvement n 4 (illustration 6). Les impacts des rejets de la station d épuration sur la rivière pourront donc être étudiés. Illustration 5 : Point de prélèvement n 3. Illustration 6 : Point de prélèvement n 4. La station d épuration d Uriage traite environ 8000 équivalents habitant et le débit de sortie est de 800m 3 par jour soit environ 10 litres par seconde. Il a été trouvé intéressant d analyser des échantillons provenant de l entrée de la station dépuration (échantillon IN) ainsi que de la sortie (échantillon OUT), pour mettre en avant l efficacité de celle-ci. Il est à noter que la station traite les eaux usées par des prétraitements puis par un traitement par boues activées. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 6
7 c) Les mesures sur le terrain Il est possible d effectuer des mesures directement sur le terrain. Grace à des appareils portatifs, on mesure ou caractérise certains paramètres organoleptiques tels que la température et la couleur, mais également la conductivité et des paramètres physico-chimiques tels que le ph, le taux d oxygène dissous ou le taux de saturation. Les paramètres organoleptiques L ensemble des paramètres organoleptiques a été déterminé pour chacun des points précédemment inventoriés. Ces données, comprenant la température, la turbidité et la couleur, ont été répertoriées (illustration 7), afin de pouvoir effectuer des comparaisons entre chaque point de prélèvement. Température (en C) Couleur Site n Transparente Site n Transparente Site n Transparente Site n Transparente Echantillon IN Echantillon OUT Jaunâtre Transparente Illustration 7 : Paramètres organoleptiques. Il est à noter que la température a été relevée trois fois, sur chaque point de prélèvement, car les appareils permettant de mesurer les autres paramètres donnent, chacun, une valeur de la température. Ceci est une preuve que la température est un facteur influant pour ces différents paramètres mesurés. La couleur de chaque échantillon a été déterminée visuellement. L œil humain ne peut percevoir précisément une différence de couleur. Seule la couleur de l échantillon en entrée de station d épuration présentait une différence de teinte. Afin de préciser plus précisément ces données, des tests seront effectués en laboratoire. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 7
8 Une fois ces données récoltées, on peut analyser leur évolution au fil du Sonnant. La température sera le seul paramètre organoleptique où l on pourra observer cette évolution au fil du ruisseau (illustration 8). Une moyenne des trois valeurs de température est retenue afin de visualiser cette évolution Température (en C) en fonction des points de prélèvement Illustration 8 : Evolution de la température au fil du Sonnant. Ce graphique met en évidence l impact du rejet d eau des thermes. Ces eaux chaudes modifient donc la température du ruisseau. On s aperçoit que cette température retrouve sa valeur normale au point de prélèvement n 3. Ceci s explique par la dilution de l eau chaude dans les eaux froides du ruisseau et dans celles des autres ruisseaux qui rejoignent le Sonnant avant le point de prélèvement n 3. rivière. Cette température, aux alentours de 8 C, est une température normale pour une eau de La température a également augmenté au point de mesure n 4, comparée au point de mesure n 3. Ceci montre que la station d épuration rejette des eaux plus chaudes que celle du ruisseau. On va justement étudier désormais la température de l effluent entrant en station d épuration à celle de l effluent sortant de la station d épuration. On observe que la température reste globalement identique entre l effluent en entrée et celui en sortie, à une valeur d environ 10 C. La valeur de la température de l effluent rejeté dans le ruisseau, qui est plus élevée, explique donc cette légère augmentation de la température entre les points de prélèvement n 3 et n 4. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 8
9 Les paramètres physico-chimiques et la conductivité Les paramètres physico-chimiques que sont le ph, la concentration en oxygène dissous et le taux de saturation en oxygène, ont également été relevés sur chaque site de prélèvement, tout comme la conductivité (illustration 9). La conductivité est un paramètre important dans l étude de la qualité d un cours d eau. En effet, cette dernière informe sur la capacité de l eau à conduire le courant électrique. Elle est directement liée aux ions qui sont présents dans l eau. Ce paramètre qu est la conductivité peut être ainsi utilisé afin de caractériser un mélange à la confluence de deux cours d eau ou de caractériser l origine de la source par exemple. Pour la concentration d oxygène dissous, des systèmes de correction des valeurs existent. Cependant, étant donné que l eau du ruisseau est très peu saline, on considère qu aucune correction de valeurs n est nécessaire. Conductivité (en μs.cm -1 ) Concentration d oxygène dissous (en mg.l -1 ) Taux de saturation en oxygène Site n μs.cm mg.l % 7.59 Site n μs.cm mg.l % 7.46 Site n μs.cm mg.l % 8.27 Site n μs.cm mg.l % 8.22 Echantillon IN 1458 μs.cm mg.l % 8.44 Echantillon OUT 896 μs.cm mg.l % 7.45 ph Illustration 9 : Paramètres physico-chimiques et conductivité. Comme pour la température, on met en place différents graphiques afin de mettre en avant l évolution des différents paramètres physico-chimiques (ph, concentration en oxygène dissous et saturation en oxygène) et l évolution de la conductivité. On commence tout d abord par s intéresser à l évolution de la conductivité au fil du Sonnant (illustration 10) et la différence de conductivité entre l effluent d entrée de station et celui de sortie de station (illustration 11). Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 9
10 1500 Conductivité (en μs/cm) en fonction des points de prélèvement Illustration 10 : Evolution de la conductivité au fil du Sonnant Conductivité (en μs/cm) en fonction des points de prélèvement IN OUT Illustration 11 : Evolution de la conductivité entre l entrée et la sortie de la STEP 3. Ces graphiques mettent en exergue plusieurs faits. Tout d abord, on observe que le trop plein d eau fortement minéralisée, rejeté par les thermes, impacte le milieu naturel. En effet, cela se traduit par une augmentation de la conductivité. L eau des thermes, riche en minéraux, apporte des ions supplémentaires dans le Sonnant. Le point de prélèvement n 3 montre que la conductivité diminue. La dilution et l apport d eau nouvelle par les confluences expliquent ce phénomène. Enfin, dernière comparaison possible, la conductivité au point de prélèvement n 4 montre un léger impact du rejet de la station d épuration. La conductivité a été abaissée d environ 39 % entre l entrée de la station et la sortie de la station d épuration. La station d épuration est donc, sur ce paramètre, moyennement efficace. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 10
11 On effectue la même analyse pour la concentration en oxygène dissous (illustration 12). On observe ainsi l évolution de ce paramètre le long de la rivière. Concentration en oxygène dissous (en mg/l) en fonction des points de prélèvement Illustration 12 : Evolution de la concentration en oxygène dissous au fil du Sonnant. Cette évolution de la concentration en oxygène dissous, au fil du Sonnant, met peu en avant l impact du rejet de la station thermale. En effet, en aval de la station thermale, on observe que la concentration en oxygène dissous reste globalement constante. Une légère baisse est notable et s explique par la consommation d oxygène par les bactéries afin de dégrader les nutriments apportés par la station thermale. Cette concentration augmente légèrement au point de prélèvement situé en amont de la station d épuration. Ceci s explique notamment par le fait que deux autres ruisseaux rejoignent le Sonnant avant ce point de prélèvement. Ainsi, un apport d oxygène a lieu. La STEP 3 semble ne pas impacter la teneur en oxygène dissous du ruisseau. Afin d avoir une idée plus précise de la concentration en oxygène dissous dans les eaux rejetées par la station d épuration, on traite les données relatives aux effluents entrant et sortant (illustration 13). Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 11
12 Concentration en oxygène dissous (en mg/l) en fonction de l'échantillon IN OUT Illustration 13 : Evolution de la concentration en oxygène dissous entre l entrée et la sortie de la STEP 3. Le graphique permet de mettre en évidence que le traitement de la station d épuration permet de ré-oxygéner, par un facteur deux, l effluent. En effet, entre l effluent d entrée et l effluent de sortie, on observe que la concentration en oxygène dissous est deux fois plus élevée en sortie. Le taux de saturation de la rivière reste constant autour de la valeur de 99 %. Ce pourcentage étant proche de la valeur référence optimale, qui est de 100 %, on peut remarquer que le ruisseau est correctement oxygéné. On s intéresse désormais à l évolution du ph au fil du ruisseau (illustration 14). Ce graphique peut être utile afin de comprendre certains phénomènes. En effet, le ph est un facteur à prendre en compte pour de nombreuses mesures. Son influence peut être étudiée grâce à cette courbe. Evolution du ph Illustration 14 : Evolution du ph au fil du Sonnant. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 12
13 Ces différentes mesures réalisées sur le terrain peuvent être complétées par des mesures en laboratoire. Les résultats de ces mesures seront l objet de la prochaine partie. II-Mesures en laboratoire. a) Mesure des Matières En Suspension (MES 4 ) et de la turbidité Les deux paramètres que sont la matière en suspension et la turbidité sont très intimement liés. C est pour cela que l on traite ces deux paramètres dans la même section. Les matières en suspension La mesure des MES 4, les matières en suspension, doit être effectuée avant toutes les autres mesures qui suivent. En effet, ce paramètre renseigne sur les volumes de solution qu il faudra utiliser afin de mesurer les autres paramètres. Grâce à la MES 4, on détermine les volumes nécessaires que l on devra filtrer, afin de garantir un apport en MES 5 entre 25 mg et 250 mg de matières en suspension, gage d une bonne précision. En plus d être particulièrement utile pour la mesure des autres paramètres, la détermination des taux de MES 4 est également particulièrement importante pour l évaluation de la qualité de l eau. Les différentes valeurs de matière en suspension ont été regroupées (illustration 15), afin d être exploitées par la suite (illustration 16). Volume filtré (en ml) Masse de suspension (en mg) Matière en Suspension (en mg/l) Site n ml Site n ml Site n ml Site n ml Echantillon IN 50 ml Echantillon OUT 200 ml Illustration 15 : Données relatives à la détermination de la MES. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 13
14 10 Evolution de la MES (en mg/l) au fil du Sonnant n 1 n 2 n 3 n 4 Illustration 16 : Evolution de la MES 4 au fil du Sonnant. On observe que la valeur de la MES 4 diminue en aval de la station thermale par rapport à celle en amont. Ceci s explique par la dilution apportée par l apport d eau des thermes. La quantité de MES 4 est assez grande au point de prélèvement en amont de la station d épuration. On explique cette augmentation par l apport de matière en suspension par les ruisseaux qui se jettent dans le Sonnant avant ce point de prélèvement. Egalement, la prise de l échantillon aux points de prélèvement n 3 et n 4 a été différente que celle des points de prélèvement entourant la station thermale. On effectue une analyse de la MES 4 (illustration 17). pour étudier l efficacité de la station d épuration 400 Evolution de la MES (en mg/l) au sein de la STEP IN OUT Illustration 17 : Evolution de la MES 4 dans la STEP 3. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 14
15 La station d épuration permet un abattement de 95.3 % de la MES 4, entre l effluent en entrée et l effluent en sortie. Sur ce paramètre, la station d épuration est donc particulièrement efficace. La turbidité La turbidité est un paramètre organoleptique. Il est possible d effectuer les mesures de turbidité sur le terrain. Cependant, pour plus d aisance au niveau de la manipulation, notre bureau d étude a décidé d effectuer ces mesures en laboratoire. Ce changement d environnement n affecte pas la mesure, à partir du moment où les sédiments sont remis en suspension juste avant d effectuer la mesure du paramètre. La mesure de la turbidité est importante puisqu une turbidité trop grande peut gêner l activité des producteurs primaires et donc, avoir un impact conséquent sur les teneurs en oxygène, soit plus globalement un impact sur l environnement par impact sur la vie bactérienne. D autre part, les matières en suspension hébergent éventuellement des toxiques tels que les métaux lourds, ainsi que des microorganismes. Le limon, l argile, les matières organiques et inorganiques en particules fines, le plancton et d autres microorganismes sont des matières en suspension communes dans les eaux naturelles. Comme pour les paramètres précédemment déterminés, on regroupe dans un premier temps l ensemble des données (illustration 18), afin d en exploiter le contenu dans un second temps. Les données sont exprimées en Unité Turbidité Néphélémétrie (UTN ou NTU 5 en anglais). Turbidité (en NTU 5 ) Mesure 1 Mesure 2 Mesure 3 Mesure 4 Mesure 5 Moyenne Site n Site n Site n Site n Echantillon IN Echantillon OUT Illustration 18 : Tableau regroupant les valeurs de turbidité. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 15
16 Dans le cadre de cette étude, les mesures de turbidité en laboratoire ont été réalisées avec un turbidimètre par néphélémétrie. A partir des eaux prélevées sur les différents sites, on réalise plusieurs mesures avec des angles différents d orientation du flacon au sein de l appareil de mesure. On effectue par la suite une moyenne de ces points. On visualise sur un graphique l évolution de ces turbidités au fil du Sonnant (illustration 19). L évolution de ce paramètre s appuie sur les valeurs moyennes de turbidité pour chaque point de prélèvement, déterminées à l aide des mesures selon différents angles. 8 Turbidité (en NTU) en fonction des points de prélèvement Illustration 19 : Evolution de la turbidité au fil du Sonnant. Les points de prélèvement en amont et en aval des thermes, les points n 1 et n 2, ont été relevés sur un cours d eau de faible débit, avec une pente faible en comparaison des deux derniers points de prélèvement. Ceci peut donc expliquer la légère augmentation de la valeur de turbidité entre le point de prélèvement en aval des thermes et celui en amont de la station d épuration. De plus, les prélèvements en amont et en aval de la station d épuration ont été effectués avec un seau, depuis un pont, ce qui peut laisser penser qu un nombre de sédiments plus nombreux ait été remobilisé. Ainsi, la turbidité le long du cours d eau reste constante, à une valeur de turbidité équivalente à une eau de faible charge. Ceci montre une bonne gestion du cours d eau, en particulier pour les effluents de la station d épuration et de la station thermale. D autre part, la réglementation française fixe une turbidité maximale de 0,5 à 2 NTU 5, pour le prélèvement des eaux de source. Ainsi, par comparaison, l eau de cette rivière est de bonne qualité. Afin d étudier en parallèle l efficacité de la station d épuration, on effectue une comparaison de la turbidité pour l effluent en entrée de station et celui en sortie (illustration 20). Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 16
17 300 Turbidité (en NTU) en fonction des échantillons IN OUT Illustration 20 : Evolution de la turbidité entre l entrée et la sortie de la station d épuration. Par la mesure de la turbidité de ces échantillons, on constate l efficacité de l installation avec un abattement de 95,7 % de la valeur de turbidité. Ainsi, les concentrations rejetées par la station sont proches des concentrations de la rivière, d autant plus que l on ne connait pas les conditions de prélèvement de l échantillon OUT, correspondant à l effluent sortant de la station d épuration, que ce soit le débit ou le lieu de prélèvement. b) Etude de la Matière Organique (MO 6 ) En complément des mesures d oxygène dissous et de taux de saturation effectuées sur le terrain, il est possible d effectuer deux autres mesures pour étudier la pollution organique : la Demande Chimique en Oxygène (DCO 7 ) et la Demande Biologique en Oxygène à 5 jours (DBO 5 8 ). La Demande Biologique en Oxygène à 5 jours (DBO 5 8 ) La mesure de la DBO 5 8 est la mesure la plus classique et la moins couteuse pour étudier le contenu en matière organique d un échantillon. Ce test donne une estimation de la quantité de matière organique biodégradable dans le milieu. Pour des raisons pratiques, la mesure de la DBO 8 s effectue au bout de 5 jours. En effet, la dégradation complète de la matière organique peut prendre plusieurs jours. On s arrête à 5 jours pour ne pas interférer avec la nitrification qui commence au bout de 11 jours en général. On observe donc les différentes valeurs de DBO 5 8 sur une période de 5 jours (illustration 21). Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 17
18 DBO en mgo 2 /L Etude réalisée par : DBO 8 (en mgo 2 /L) Jour 1 Jour 2 Jour 3 Jour 4 Jour 5 Site n Site n Echantillon IN Echantillon OUT Illustration 21 : Données relatives aux valeurs de DBO. Les valeurs de DBO 5 8 ont été déterminées uniquement sur les points de prélèvement aval et amont de la station d épuration et pour les effluents en entrée et en sortie de la station d épuration. L évolution de la DBO 8 sur cinq jours est donc représentée pour les deux premiers sites de prélèvement (illustration 22). 3,5 3 2,5 2 Evolution de la DBO5 1,5 1 n 3 n 4 0, Jour Illustration 22 : Evolution de la DBO pour les deux sites de prélèvement Cette courbe illustre l impact de la station d épuration sur le Sonnant. En effet, on peut s apercevoir que la DBO 5 8 augmente en aval de la station d épuration. Les rejets de cette dernière ont donc impacté la qualité de l eau du ruisseau. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 18
19 DBO en mgo 2 /L Etude réalisée par : On étudie désormais la capacité de la station à abattre le taux de DBO 8 entre l effluent en entrée et celui en sortie (illustration 23) Evolution de la DBO entre l'entrée et la sortie de la STEP IN OUT jours Illustration 23 : Evolution de la DBO 8 pour les deux effluents. On observe que la station d épuration est efficace puisqu elle a un rendement de 81 % pour l abattement de la DBO 5 8. La Demande Chimique en Oxygène (DCO 7 ) La demande chimique en oxygène mesure l ensemble de la matière organique. En effet, en plus de prendre en compte la matière organique via la demande biologique en oxygène (DBO 5 8 ), ce paramètre prend en compte les matières organiques réfractaires, soit non-biodégradables. On regroupe l ensemble des données relatives à la Demande Chimique en Oxygène (illustration 24), avant d effectuer une analyse plus parlante au fil du ruisseau (illustration 25). Demande Chimique en Oxygène (en mg/l) Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Echantillon IN Echantillon OUT 1.4 mg/l 0.2 mg/l 0.6 mg/l 4.1 mg/l 585 mg/l 118 mg/l Illustration 24 : Tableau regroupant les valeurs de DCO. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 19
20 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Evolution de la DCO (en mg/l) au fil du Sonnant Illustration 25 : Evolution de la DCO au fil du Sonnant. Le graphique présentant l évolution de la DCO 7 au fil du Sonnant met en avant le fait que le rejet de la station d épuration impacte l eau de la rivière. En effet, la DCO 7 augmente entre le point de prélèvement en amont de la station d épuration et celui en aval de cette dernière. Cependant, la valeur de cette DCO 7 reste inférieure à 5 mg.l -1, valeur caractéristique pour des eaux de rivière saines. Même si le rejet de la station d épuration a un impact sur le ruisseau, cet impact reste mesuré. On étudie cependant les deux demandes chimiques en oxygène des effluents d entrée et de sortie de la station d épuration, afin de s assurer du bon fonctionnement de cette dernière (illustration 26) Evolution de la DCO (en mg/l) IN OUT Illustration 26 : Evolution de la turbidité entre l entrée et la sortie de la station d épuration. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 20
21 L eau rejetée de la station d épuration est à une valeur de DCO 7 de 118 mg/l. Ceci est légèrement au dessus des valeurs typiques de DCO 7 pour des eaux usées après épuration biologique. En effet, l effluent devrait plutôt avoir une DCO 7 comprise entre 20 et 100 mg/l. Le jour de l étude, la station d épuration avait une efficacité de 80 % sur l abattement de la demande chimique en oxygène. c) Mesure des nutriments Les nutriments sont des éléments indispensables au développement du milieu naturel. Cependant, dès lors que ces derniers sont en excès, un déséquilibre de l écosystème apparait. Ce déséquilibre entraine une fragilité du milieu. Ainsi, un excès de phosphore et de nitrate va entrainer une eutrophisation 2, soit le développement d algues et par conséquent l asphyxie du milieu. C est pour cela qu il est important d avoir connaissance de la valeur de ces paramètres. On étudie donc la concentration en ions ortho-phosphates, en ammonium et en nitrate. Les ions ortho-phosphates Les principales sources anthropiques de ces ions sont les engrais. Le ruissellement sur les parcelles agricoles conduit les eaux à se charger en ions PO Pour cette donnée, nous mesurons les concentrations aux quatre points de prélèvement, ainsi que celles en entrée et sortie de la station d épuration. En se basant sur une méthode colorimétrique s appuyant sur l utilisation de réactifs prédéfinis et du spectrophotomètre, on détermine les différentes concentrations en P-PO 4 (illustration 27). Par la suite, on extrait, à partir des concentrations en P-PO 4 et des masses molaires atomiques, par calcul, les différentes teneurs en ions PO 4 3- relatives aux différents points de prélèvement. Concentration en P-PO 4 (en mg.l -1 ) Concentration en ions PO 4 3- (en mg.l -1 ) Site n mg.l mg.l -1 Site n mg.l mg.l -1 Site n mg.l mg.l -1 Site n mg.l mg.l -1 Echantillon IN 6.3 mg.l mg.l -1 Echantillon OUT 1.2 mg.l mg.l -1 Illustration 27 : Tableau regroupant les concentrations en P-PO 4 et en ions PO Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 21
22 Dans un second temps, on représente l évolution de ces concentrations en ions PO 4 3- au fil du ruisseau le Sonnant (illustration 28). 0,4 0,35 Concentration en ions phospates (mg/l) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 avant les thermes après les thermes avant rejet STEP après rejet STEP 0 point 1 point 2 point 3 point 4 Illustration 28 : Evolution de la concentration en ions PO 4 3- au fil du Sonnant. L étude des concentrations en ions PO 4 3- indique que le rejet dans le Sonnant des surplus d eaux des thermes n impacte pas le ruisseau en terme de pollution phosphatée. La légère diminution de la teneur en ces ions peut s expliquer par la consommation du phosphore par les bactéries. A l inverse, on observe bien que la station d épuration, dont le rejet, pour rappel, s effectue entre les deux points de prélèvement 3 et 4, impacte sur l écosystème. En effet, on observe que la concentration en ions PO 4 3- est doublée par le rejet de la station d épuration. On étudie désormais l efficacité de la station d épuration en déterminant la concentration d ions PO 4 3- en entrée de station d épuration et en sortie (illustration 29). Concentration en ions phospates (en mg/l) Entrée STEP Sortie STEP Illustration 29 : Evolution de la concentration en ions PO 4 3- entre Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 22
23 Les eaux en entrée de la station d épuration sont particulièrement chargées en ions phosphates. Cette haute valeur s explique par l apport d ions PO 4 3- par les lessives et l urine notamment. On observe que la station d épuration est efficace à 80% en ce qui concerne le traitement des ions PO Ainsi, même si le rejet de la station d épuration est décelable, cette dernière limite cependant la pollution puisque le taux d ions PO 4 3- est abaissé de 80% grâce au traitement effectué par la station. Les nitrates Les nitrates proviennent principalement des engrais utilisés pour l agriculture. La norme de potabilité à ne pas dépasser est de 50 mg/l, mais l OMS 9 (Organisme Mondial pour la Santé) recommande de ne pas dépasser 25 mg/l. De plus, tout comme pour le phosphore, un excès de nitrates peut entraîner un phénomène d eutrophisation 2 et ainsi engendrer un déséquilibre du milieu aquatique. On mesure donc, par différents réactifs et par suivi spectro-photométrique, les concentrations en N-NO 3 de chacun des échantillons (illustration 30). Par la suite, on extrait, à partir des concentrations en N-NO 3 et des masses molaires atomiques, par calcul, les différentes teneurs en ions - NO 3 relatives aux différents points de prélèvement. Concentration en N-NO 3 (en mg.l -1 ) Concentration en ions NO 3 - (en mg.l -1 ) Site n mg.l mg.l -1 Site n mg.l mg.l -1 Site n mg.l mg.l -1 Site n mg.l mg.l -1 Echantillon IN 0.80 mg.l mg.l -1 Echantillon OUT 0.85 mg.l mg.l -1 Illustration 30 : Tableau regroupant les concentrations en N-NO 3 et en ions NO 3 -. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 23
24 Dans un second temps, on représente l évolution de ces concentrations en ions NO 3 - au fil du ruisseau le Sonnant (illustration 31). 7 Concentration en ions nitrates (mg/l) avant les thermes après les thermes avant STEP après STEP 0 point 1 point 2 point 3 point 4 Illustration 31 : Evolution de la concentration en ions NO 3 - au fil du Sonnant. L impact du rejet après les thermes est cette fois-ci visible pour la concentration en ions nitrates. Cette dernière augmente fortement après les thermes. On remarque un facteur d environ deux entre la concentration en ions NO 3 - du point de prélèvement de référence, avant les thermes (le point de prélèvement numéro 1) et celle du point de prélèvement 2, situé après les thermes. On observe également que le rejet de la station d épuration impacte sur le ruisseau. Cependant, cet impact est beaucoup moins marqué que celui des thermes. On s intéresse aux concentrations des eaux d entrée et de sortie de la station d épuration afin d étudier un peu plus en détail cet impact (illustration 32). 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Concentration en ions nitrates (mg/l) Entrée STEP Sortie STEP Illustration 32 : Evolution de la concentration en ions NO 3 - entre l entrée et la sortie de la station d épuration. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 24
25 Ces données montrent que la station d épuration n a aucun effet sur le traitement des ions NO 3 -. Ceci parait particulièrement anormal. On soupçonne un problème au niveau de ce traitement, puisque normalement la station d épuration devrait traiter ces ions. La valeur élevée en sortie de station d épuration explique la différence de concentration entre les points de prélèvement n 3 (avant station d épuration) et n 4 (après station d épuration). Les ions ammonium L ion ammonium provient principalement des engrais. En effet, ce dernier peut se transformer en nitrate. Ce dernier est également très présent dans les produits nettoyants et désinfectants. Ce dernier impacte donc sur l écosystème. Il est nécessaire d effectuer un suivi de ce paramètre, tout comme les ions phosphatés et les ions nitrates. On mesure de la même manière que les deux nutriments précédents, par différents réactifs et par suivi spectro-photométrique, les concentrations en N-NH 4 de chacun des échantillons (illustration 33). Par la suite, on extrait, à partir des concentrations en N-NH 4 et des masses molaires atomiques, par calcul, les différentes teneurs en ions + NH 4 relatives aux différents points de prélèvement. Concentration en N-NH 4 (en mg.l -1 ) Concentration en ions NH 4 + (en mg.l -1 ) Site n mg.l mg.l -1 Site n mg.l mg.l -1 Site n mg.l mg.l -1 Site n mg.l mg.l -1 Echantillon IN > 80 mg.l -1 > 103 mg.l -1 Echantillon OUT 73.6 mg.l mg.l -1 Illustration 33 : Tableau regroupant les concentrations en N-NH 4 et en ions NH 4 +. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 25
26 Suite à cela, on représente l évolution de ces concentrations en ions NH 4 + au fil du ruisseau le Sonnant (illustration 34) en s appuyant sur les différentes données récoltées précédemment. 1,4 Concentration en ions ammonium (en mg/l) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 point 1 point 2 point 3 point 4 Illustration 34 : Evolution de la concentration en ions NH 4 + au fil du Sonnant. On observe que le rejet de la station thermale n impacte pas le milieu par l apport d ions ammonium. Cependant, on observe que la station dépuration impacte particulièrement fortement le milieu aquatique, puisque la concentration en aval de la station d épuration est multipliée par un coefficient 9. On s intéresse donc à l effluent de sortie de la station d épuration. Ce dernier nous permet de constater que la teneur en ions ammonium en sortie de STEP 3 est particulièrement élevée. La station d épuration n a que très peu traité les ions ammoniums qui proviennent principalement des urines et des détergents. Ces différentes mesures mettent en avant un réel impact de la station d épuration sur ce ruisseau. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 26
27 Mes (mg/l) Etude réalisée par : III- Calculs de cohérence. a) La turbidité et la MES 4 On a indiqué précédemment que la valeur de la Matière en Suspension était liée à la valeur de la turbidité. On trace donc une courbe présentant le taux de MES 4 en fonction de la turbidité (illustration 35) MES = f(turbidité) y = 1,1256x + 0,2977 R² = Turbidité MES (mg/l) Illustration 35 : MES 4 en fonction de la turbidité. b) Calculs de flux Le but de cette partie est de calculer analytiquement la valeur de la concentration en aval de la station d épuration, puis de la comparer à la valeur mesurée réellement au point de prélèvement en aval de la station d épuration. On réalise un bilan de matière amont-aval : Q STEP *C STEP +Q amont *C amont = Q aval *C aval La valeur du débit Q aval est calculée grâce à la courbe de conversion du débit en fonction de la hauteur. L équation est la suivante : Q = 0,0007 h 3,8452 Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 27
28 On trouve ainsi pour une hauteur de 31cm (relevée directement sur le cours d eau), un débit en aval égal à : Q aval = 380 L/s. Le débit de traitement de la station d épuration est connu : Q STEP = 800 m 3 /j = 9,3 L/s. Le débit en amont est obtenu en soustrayant le débit de la STEP 3 au débit en aval : Q amont = Q aval Q STEP Les concentrations en sortie de STEP 3 et en amont ont été mesurées sur le terrain. On obtient une concentration, C STEP, égale à 118 mg/l. Etant donnée que C amont = 0,6 mg/l, on peut déterminer C aval. On obtient une valeur pour C aval de 3.47 mg/l. Ainsi, théoriquement, on devrait obtenir 3,47 mg/l de concentration en DCO 7 en aval de la station. En réalité, au point de prélèvement en aval de la station, une valeur C aval de 4,1 mg/l a été mesurée. Cette valeur est légèrement plus élevée que la valeur calculée. Ceci peut s expliquer par le fait que le point de prélèvement se situe à un endroit plus éloigné de la station d épuration. Plus on est en aval, plus la DCO 7 augmente. A la sortie de la station d épuration, la DCO 7 est élevée, mais on a peu de temps après, une forte dilution d où la chute de DCO 7 avant que la tendance à l augmentation reprenne. Ainsi, ce calcul de flux permet de corroborer nos mesures, puisqu on obtient une concentration théorique très proche de la concentration expérimentale. Il est également possible d effectuer ces calculs avec les concentrations d autres paramètres. Il faut cependant prendre garde et être conscient que certaines réactions peuvent avoir lieu comme la nitrification. IV-Analyses en corrélation avec les SEQ 1. a) Evaluation de la qualité de l eau Afin de déterminer l aptitude de l eau à satisfaire ses usages pour l Homme, on évalue chaque paramètre pouvant engendrer des altérations du milieu. On effectuera ainsi une analyse de la qualité de l eau en s appuyant sur une grille d évaluation regroupant des indices par altération. L étude s effectuera sur l ensemble des paramètres précédemment mesurés, que ce soit sur le terrain ou en laboratoire. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 28
29 Le code couleur (illustration 36) associé est significatif des différentes classes des échantillons d eau prélevés. On répertorie ainsi, pour chaque paramètre, la qualité de l eau via une couleur particulière (illustration 37). Couleur associée à la qualité de l eau Très bonne Bonne Passable Mauvaise Très mauvaise Illustration 36 : Code couleur associé à la qualité de l eau. On associe à chaque paramètre une ou plusieurs altérations qu il peut engendrer. Avec les paramètres mesurés lors cette étude, différentes altérations notables peuvent avoir lieu : altération à la matière organique et oxydable altération au phytoplancton altération à la matière phosphorée altération à la matière azotée hors nitrates altération aux nitrates altération avec la température altération avec les particules en suspension altération par acidification du milieu On fait l étude de l eau via le système d évaluation de la qualité de l eau. Altération à la matière organique et oxydable Cette altération est principalement due à la DBO 5 8, la DCO 7, le taux de saturation en oxygène, la concentration en NH 4 + et la concentration en oxygène dissous. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 29
30 Dans le cas où la classe de l eau est mauvaise (illustration 37), l effet principal de cette altération est la consommation de l oxygène de l eau et donc un déséquilibre du milieu. Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Echantillon IN Echantillon OUT DCO 7 DBO 5 8 Classe de l eau O 2 dissous NH 4 + Saturation en oxygène Illustration 37 : Altération par la matière organique et oxydable. Altération au phytoplancton Dans le cas où la classe de l eau est mauvaise (illustration 38), l effet principal de cette altération est un trouble de l eau, une variation de l oxygène, de l acidité. Cela peut également gêner pour une production d eau potable. Cette altération est principalement due au ph et au taux de saturation en oxygène. Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Echantillon IN Echantillon OUT Saturation en oxygène Classe de l eau ph Illustration 38 : Altération par le phytoplancton. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 30
31 Altération à la matière phosphorée Cette altération est principalement due aux ions PO Dans le cas où la classe de l eau est mauvaise (illustration 39), l effet principal de cette altération est la prolifération d algues. Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Echantillon IN Echantillon OUT Classe de l eau Concentration en PO 4 3- Illustration 39 : Altération par la matière phosphatée. Altération à la matière azotée (hors nitrate) Cette altération est principalement due aux ions NO 2 - et aux ions NH 4 +. Dans le cas où la classe de l eau est mauvaise (illustration 40), l effet principal de cette altération est la contribution à la prolifération d algues, qui parfois peuvent être toxiques. Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Echantillon IN Echantillon OUT Classe de l eau Concentration en NH 4 + Illustration 40 : Altération par la matière azotée (hors nitrates). Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 31
32 Altération aux nitrates Cette altération est principalement due aux ions NO 3 -.Dans le cas où la classe de l eau est mauvaise (illustration 41), l effet principal de cette altération est la contribution à la prolifération d algues, qui parfois peuvent être toxiques. Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Echantillon IN Echantillon OUT Classe de l eau Concentration en N0 3 - Illustration 41 : Altération par les nitrates. Altération avec la température L altération par la température a pour principal effet, une altération et la perturbation du milieu de vie des poissons (illustration 42). Classe de l eau Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Echantillon IN Echantillon OUT Température Illustration 42 : Altération par la température Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 32
33 Altération avec les particules en suspension Cette altération va dépendre de la turbidité et de la valeur des matières en suspension dans les différents échantillons. Cette altération aura pour conséquence de gêner la pénétration de la lumière (illustration 43). Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Echantillon IN Echantillon OUT MES 4 Classe de l eau Turbidité Illustration 43 : Altération par les particules en suspension. Altération par acidification Le ph est également à surveiller. En effet, si ce dernier est trop acide, une acidification du milieu peut entrainer une perturbation de la vie aquatique (illustration 44). Classe de l eau Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Echantillon IN Echantillon OUT ph Illustration 44 : Altération par acidification. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 33
34 Analyse générale du ruisseau Les différentes analyses de l eau pour l ensemble des altérations possibles mettent en avant la «bonne qualité» de l eau, voire la «très bonne» qualité de l eau, que ce soit au point en aval, en amont des thermes, en aval ou en amont de la station d épuration. L évolution d un seul paramètre est légèrement préoccupante. Il s agit de la concentration en ions ammoniums au niveau du point de prélèvement situé en aval de la station d épuration, échantillon classé «passable». La classification des échantillons IN et OUT a également été effectuée. L étude voulait mettre en avant l utilité du traitement des eaux résiduelles urbaines. En effet, l effluent en entrée est caractérisé par une couleur rouge, soit classifié eau de qualité «très mauvaise» pour la plupart des altérations. En ce qui concerne l effluent de sortie, certaines altérations sont possibles. Cependant, l effluent se déverse dans le ruisseau et se dilue. On devrait plus s intéresser aux normes auxquelles sont assujetties les stations d épuration. On peut identifier l efficacité de la station d épuration. b) Aptitude de l eau L évaluation de l aptitude d une eau à satisfaire certains usages pour l Homme peut être effectuée en se basant sur des grilles propres à chaque utilisation. Lors de cette étude, nous allons nous baser sur les qualités d eau déterminées précédemment pour faire cette analyse. Les différentes qualités de l eau selon les altérations permettent d analyser l aptitude de l eau prélevée sur chaque site. Les différentes aptitudes de l eau sont les suivantes : Production d eau potable Abreuvage Loisirs aquatiques Irrigation Potentialités biologiques Les différentes aptitudes vont être influencées par un certain nombre d altérations. Ainsi, la production d eau potable sera influencée par des altérations par matières oxydable et organique, par altération par acidification, par altération due au phytoplancton, par altération par les particules en suspensions et par altération par nitrates notamment. L aptitude «loisirs aquatiques» sera influencée uniquement par une altération possible par les particules en suspension. L abreuvage peut être influencé par des altérations par matière azotée ou par nitrates. Pour l agriculture, il faut prendre en compte des possibles altérations dues aux matières organique et oxydable, aux matières azotées, aux nitrates, aux particules en suspension, au phytoplancton, à l acidification et aux matières phosphatées. Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 34
35 Si l on souhaite utiliser l eau à des fins biologiques, il faut prendre garde aux altérations dues aux matières organique et oxydable, aux matières azotées, aux nitrates, aux particules en suspension, au phytoplancton, à l acidification, aux matières phosphatées et à la température. En ce qui concerne l irrigation, les altérations pouvant impacter cette aptitude n ont pas été étudiées précédemment. Cette étude ne prendra pas en compte cette aptitude. On détermine les aptitudes de l eau pour chaque échantillon en s appuyant sur la qualité de l eau déterminée précédemment pour chaque altération. Il est à noter que la qualité la plus basse impose sa classe. Aptitude de l eau Production eau potable Agriculture Abreuvage Loisirs aquatiques Potentialités biologiques Site n 1 Site n 2 Site n 3 Site n 4 Traitement simple Traitement simple Traitement simple Traitement simple Plantes sensibles Tous sols Plantes sensibles Tous sols Plantes sensibles Tous sols Plantes tolérantes Sols alcalins, neutres Tous animaux Tous animaux Tous animaux Animaux matures Bonnes conditions Bonnes conditions Bonnes conditions Bonnes conditions Taxons sensibles absents Taxons sensibles absents Taxons sensibles absents Taxons sensibles absents nombreux Illustration 45 : Aptitude de l eau de chaque site de prélèvement. c) Evaluation de l efficacité de la station d épuration La station d épuration de Saint Martin d Uriage traite 8000 équivalents habitants par jour, elle doit donc respecter l arrêté du 22 décembre 1994 qui fixe les performances des stations d épuration comprises entre 2000 et équivalents habitants. La station reçoit 800m 3 /jour d eaux usées, chargées à 220 mgo 2 /L. Ainsi, la station d épuration traite une charge de 176 kgo 2 /jour, ce qui est cohérent avec le nombre d équivalents habitants que reçoit la station. Les différents rendements ont été regroupés afin d effectuer une analyse complète de la station d épuration (illustration 46). Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 35
36 Rendement de la STEP 3 Rendement minimal fixé par l arrêté du 22/12/1994 Température 11 C < 25 C ph 7,45 Entre 6 à 8,5 O2 dissous Concentration x2 - MES 4 95,3% 90% Turbidité 95,7% - DBO5 8 81% 75% DCO 7 80% 70% Phosphate 80% 80% Nitrate 0% 70% Ammonium 0,08% 70% Illustration 46 : Différents rendements de la station d épuration. Les rendements de la station d épuration en DBO 5 8, DCO 7 et MES 4 sont supérieurs aux rendements minimums fixés par l arrêté qui concerne cet équipement. On observe une cohérence entre les rendements de turbidité et de MES 4 qui sont globalement équivalents. La concentration d 0 2 dissous est doublée du fait de la diminution de la concentration en DCO 7 et DBO 5 8. La STEP 3 de Saint Martin d Uriage a donc une bonne efficacité pour ces paramètres. Le Sonnant ne se trouvant pas en situation d eutrophisation 2 après la station, observer les rejets de phosphates et nitrates n est pas forcément nécessaire. Les exigences épuratoires sur l azote et le phosphore sont habituellement utilisées pour des zones sensibles à l eutrophisation 2 et concernent des stations d épuration traitant plus de 600 kgo 2 /jour de DBO 8 5. Cependant, on constate que le rendement concernant les phosphates est supérieur au rendement minimal donné par l arrêté, ce qui montre tout de même que, sur ce point de vue, la station d épuration est efficace. Pour ce qui est des nitrates et de l ammonium la station d épuration est inefficace. On observe un rendement de 0%, la station ne traite absolument pas les nitrates, ce qui signifie qu il doit y avoir un dysfonctionnement de celle-ci. Le jour des prélèvements, une forte odeur de détergent à proximité de la station a été détectée. Ceci nous amène à penser que des détergents en concentration plus importante que Bureau d études : Evaluation de la qualité physico-chimique du Sonnant 36
1.2. REALISATION DES OPERATIONS DE PRELEVEMENTS ET D ANALYSES
AVANT-PROPOS Le présent document a été réalisé par ASCONIT Consultants, pour le compte du Conseil Général de Haute-Savoie (CG74) dans le cadre du programme 2007-2008 du suivi de la qualité des eaux des
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