Dans le traitement des eaux usées, le phosphore (P) est un paramètre critique. C’est un nutriment clé pour le développement de la biomasse, mais son excès dans les rejets est le principal responsable de l’eutrophisation dans les milieux récepteurs (rivières, lacs et mers).
Pour exploiter une STEP ou interpréter une analyse, il ne suffit pas de savoir « combien il y a de phosphore », mais quel type de phosphore nous avons et comment il est mesuré.
Fractions du Phosphore en STEP
Définition
Selon l’état d’agrégation de la matière, nous pouvons principalement distinguer deux grands groupes :
Selon la nature chimique, le phosphore Total (P) qui entre dans une STEP est la somme de toutes les espèces chimiques de phosphore présentes dans l’échantillon, qu’elles soient dissoutes ou en suspension. Il se divise principalement en deux grands groupes :
A. Phosphore Inorganique
C’est le phosphore qui ne fait pas partie des structures carbonées (matière organique). Il se présente sous deux formes :
- Orthophosphates PO4^-3 : C’est la forme réactive et soluble. C’est le phosphore « libre », prêt à être consommé directement par les bactéries des boues activées… ou par les algues dans une rivière.
- Polyphosphates : Chaînes complexes de phosphore, très courantes dans les détergents industriels, les additifs alimentaires et les produits anti-tartre. Avec le temps et la digestion bactérienne en STEP, ils s’hydrolysent et se transforment en orthophosphates. Il est important de savoir que les polyphosphates ont la capacité de complexer certains métaux ;
La précipitation des polyphosphates avec des sels d’aluminium est plus difficile que la précipitation d’un phosphate simple en raison de cet effet complexant, car le polyphosphate stabilise le métal au sein du complexe, l’empêchant de précipiter.
B. Phosphore Organique
C’est le phosphore intégré dans des molécules organiques : protéines, acides nucléiques (ADN/ARN des bactéries ou résidus fécaux), phospholipides des membranes cellulaires, fluides physiologiques, détergents, pesticides organiques….
Façons d’exprimer le Phosphore : Mesure-t-on l’Atome ou la Molécule ?
C’est là que se produisent 90 % des erreurs de calcul en usine. Un résultat analytique peut être exprimé en masse de Phosphore élémentaire (P) ou en masse de la molécule d’Orthophosphate.
Ce sont deux façons de dire la même chose, mais les chiffres changent drastiquement en raison des masses moléculaires.
La Mathématique de la Conversion
- Masse atomique du Phosphore (P) : 31 g/mol.
- Masse moléculaire de l’Oxygène (O) : 16 * 4 = 64 g/mol.
- Masse moléculaire de l’Orthophosphate (PO4^-3) : 31 + 64 = 95 g/mol.
Le facteur de conversion s’obtient en divisant la masse totale de la molécule par la masse du phosphore :
Facteur de conversion = 95/31 = environ 3,068.
Qu’est-ce que cela signifie en pratique ?
Exemple illustratif :
Si le kit photomètrique du laboratoire nous donne une valeur de 3 mg/L de PO4^ {3-}, en réalité nous n’avons que 0,97 mg/L de P élémentaire (3 / 3,07). La manière correcte d’exprimer cette réalité chimique serait « j’ai 0,97 ppm de P-PO4^3- ».
Attention ! Si vous confondez les termes, vous pourriez penser que vous ne respectez pas le rejet d’un facteur de 3 alors qu’en réalité vous êtes dans la légalité.
La Vie Réelle en Entreprise : Comment sont exprimées les Limites de Rejet ?
Dans l’environnement industriel et municipal, l’administration environnementale ne laisse aucune place à l’ambiguïté.
A. La norme parle toujours de Phosphore Élémentaire (P)
Les Autorisations Environnementales Intégrées (AEI), les Ordonnances Municipales de Rejet et la Directive Européenne relative au traitement des eaux urbaines résiduaires (Directive 91/271/CEE) fixent les limites TOUJOURS référées au Phosphore Total (P-total), et non à la molécule d’orthophosphate.
- Rejets dans le milieu naturel (STEP urbaines en zones sensibles) : Les limites réglementaires sont généralement de 1 mg/L ou 2 mg/L de P_total (selon la taille de la population).
- Rejets industriels dans le réseau d’égouts : Les ordonnances fixent généralement des limites de P-total plus souples (ex. 10 – 20 mg/L de P-total), car la STEP municipale se chargera de l’épurer, mais en facturant la redevance d’assainissement correspondante.
B. Comment on travaille au quotidien en usine
- Contrôle de processus quotidien (Opération) : Les opérateurs utilisent des kits rapides (type photomètre à tube) pour mesurer le P-PO4^3- dissous à la sortie du biologique. Pourquoi ? Parce que cela prend 15 minutes à mesurer et nous donne une idée de la manière dont l’élimination du P est effectuée, et du niveau d’assimilation bactérienne de l’élément.
- Conformité légale (Accréditable) : Les échantillons officiels sont envoyés à un laboratoire accrédité pour mesurer le P total dans un échantillon non filtré par spectrophotométrie après digestion avec du persulfate en milieu acide.
4. Quels sont les méthodes d’analyse existantes sur le marché et quelle est la plus adaptée à chaque situation ?
ANALYSE : nous devons différencier les méthodes en fonction de l’espèce que nous recherchons et de la gamme dans laquelle nous nous situons dans l’application industrielle.
- Orthophosphate :
Il existe des méthodes d’analyse directes allant des kits de test, avec des mesures ultra-rapides mais peu précises, aux méthodes optiques qui offrent une plus grande précision.
KITS DE TEST : Il existe une infinité d’options sur le marché, avec des limites de détection qui s’adaptent à la plupart des applications industrielles. Idéaux pour les contrôles quotidiens de gestion d’une usine.
Exemple de kit de test pour Orthophosphate.
ATTENTION : Le résultat d’un de ces tests rapides n’est PAS valable lors d’un audit ou devant l’Administration.
Pourquoi ?
Pour qu’un résultat analytique ait une validité légale ou passe un contrôle ENAC (ISO/IEC 17025), le laboratoire doit respecter le principe de traçabilité métrologique. Les méthodes de terrain (bandelettes, gouttes, disques colorimétriques) échouent à l’audit pour trois raisons principales :
- Subjectivité de la lecture : Elles dépendent de l’acuité visuelle du technicien, de la lumière ambiante (s’il mesure par temps ensoleillé ou nuageux) et de la présence ou non de daltonisme chez le technicien.
- Manque d’enregistrement instrumental : Un photomètre de laboratoire ou un titreur automatique laisse un enregistrement numérique indélébile de la courbe d’étalonnage, de la longueur d’onde et de l’absorbance. Une bandelette en plastique ou un comptage de gouttes ne laisse pas de support « auditable ».
- Ce ne sont pas des Méthodes Officielles Normalisées : La loi exige de mesurer le Phosphore Total selon des normes internationales strictes (comme la UNE-EN ISO 6878 ou les Standard Methods 4500-P), qui exigent une digestion acide préalable avec du persulfate à haute température (120 degrés C) et une lecture au spectrophotomètre.
MÉTHODES COLORIMÉTRIQUES : Ce sont des méthodes optiques basées sur l’absorption de rayonnement effectuée par un échantillon donné à une longueur d’onde spécifique ; les méthodes optiques sont basées sur la loi de LAMBERT BEER :
Exemple de méthode d’analyse colorimétrique d’orthophosphate
POLYPHOSPHATES :
Qu’en est-il du polyphosphate ? Comment le mesure-t-on ?
Le polyphosphate ne peut pas être mesuré directement avec une méthode conventionnelle.
Il existe une méthode officielle pour les calculer indirectement : norme ISO 6878 / Standard Methods 4500-P D.
- On détermine la teneur en orthophosphate libre : A.
- L’échantillon est hydrolysé, rompant les liaisons P-P par ébullition de 30 minutes en milieu acide. Tout le polyphosphate est converti en orthophosphate libre. Nous déterminons l’orthophosphate libre hydrolysé : H.
- La teneur en polyphosphate est la différence entre H et A.
P TOTAL :
Pour déterminer le Phosphore Total, il ne suffit pas de mesurer l’eau directement, car le phosphore se présente sous trois formes différentes : orthophosphates, polyphosphates et phosphore organique (lié à la matière vivante et en suspension).
L’objectif de la méthode analytique est de rompre toute la matière organique et les chaînes complexes pour convertir 100 % du phosphore présent dans l’échantillon en orthophosphate, qui est la seule forme que nous pouvons mesurer quantitativement.
Voici la procédure standard étape par étape, basée sur les normes internationales (UNE-EN ISO 6878 ou Standard Methods 4500-P) :
Schéma Général de la Méthode
Si nous regardons, c’est une méthode similaire à celle proposée pour la quantification des polyphosphates, à la différence qu’un agent oxydant est ajouté pour rompre la matière organique, le persulfate.
P organique : Il peut être déterminé par la différence entre la valeur du P total et le P inorganique :
P organique = P total – P polyphosphate – P orthophosphate.
