Prédiction de paramètres globaux DBO5DCO NH

Matériels et méthodes

Prélèvements

69 échantillons d’eaux brutes ont été prélevés en entrée de la filière de traitement des eaux de la STEU Seine Centre (Colombes, France : 240 000 m3 .j-1 ). Il s’agit des mêmes échantillons que ceux présentés dans la partie A.I.
Afin de vérifier si les modèles de prédiction que nous allons développer pour la STEU Seine Centre sont généralisables à d’autres STEU de l’agglomération parisienne, des échantillons ponctuels d’eaux brutes des STEU suivantes ont été prélevés entre juin et juillet 2016 : 3 échantillons issus de la STEU Marne Aval (75 000 m3 .j-1 ), 6 échantillons de la STEU Seine Amont (600 000 m3 .j- 1 ), 3 échantillons issus de la STEU Seine Morée (50 000 m3 .j-1 ), 8 échantillons de la STEU Seine Aval (1 700 000 m3.j- 1 ) et 2 échantillons de la STEU Seine Grésillons (300 000 m3  .j- 1 ). Ceux-ci ont subi le même traitement que les prélèvements de la STEU Seine Centre et seront traités selon le protocole décrit dans la partie A.I.

Paramètres globaux

Les paramètres suivants DBO5 soluble et totale, DCO soluble et totale, COD, COT, ammonium, nitrates, nitrites, conductivité, pH ont été mesurés selon la procédure décrite à la partie A-II.1.1.2.1. Les paramètres globaux ont été analysés au laboratoire de la DIE de Colombes pour l’ensemble des stations étudiées.

Mesures optiques

Les mesures de spectroscopie UV-visibles et spectrométrie de fluorescence 3D ont été réalisées selon le mode opératoire décrit à la partie A-II.1.1.2.2.2. Les mesures ont été réalisées à la DIE du SIAAP à Colombes (92).

Traitements statistiques

L’ensemble des matrices de corrélations entre les différents paramètres ont été réalisées à l’aide du logiciel R-Studio version 3.1.2. L’analyse des variances (ANOVA) a été utilisée pour caractériser la covariation des différents paramètres testés. Pour chaque corrélation comportant des données normalement distribuées (test de Shapiro-Wilk), le coefficient de Pearson a été défini. Pour identifier les modèles de régression linéaire multiple, une analyse de type « backward » a été utilisée. Le degré de précision des estimations des valeurs de x en fonction des valeurs de y sera défini via le calcul d’intervalles de confiances. Ceux-ci ont été calculés pour les droites de régression au niveau de confiance 95 %, d’après la formule suivante (Saporta, 2006) :
Les intervalles de prévision ont été définis selon α = 5 %. On notera que l’intervalle de prédiction sera toujours plus grand que l’intervalle de confiance car celui-ci dépend de l’erreur associée aux futures observations.

Constructions des modèles de prédiction de paramètres globaux dans les eaux brutes de STEU

Dans un premier temps, seuls les scores des composantes PARAFAC identifiées dans les eaux brutes de la STEU Seine Centre sont utilisés pour construire les modèles de régression linéaires simples et multiples de prédiction des paramètres globaux (cf A.II-1.3). Dans un second temps, comme l’approche PARAFAC n’est pas encore utilisable in situ et est difficilement transférable aux opérationnels en raison de sa complexité, nous avons utilisé les intensités de fluorescence obtenues aux emplacements des maximas de fluorescence (λex-em) des composantes pour construire des modèles de prédiction des paramètres globaux des eaux usées de la STEU Seine Centre à la place des scores des composantes PARAFAC. Ces intensités de fluorescence sont extraites des matrices d’excitation-émission des spectres de fluorescence 3D obtenus précédemment, après prétraitement (soustraction du blanc, normalisation par l’aire du pic du Raman de l’eau). Enfin, nous avons développé le même type de modèle de prédiction pour un total de 83 échantillons d’eaux usées d’entrée de 6 STEU du SIAAP (Marne Aval, Seine Morée, Seine Amont, Seine Centre, Seine Aval et Seine Grésillons) de l’agglomération parisienne. Comme à l’étape précédente, nous avons également utilisé les intensités de fluorescence obtenues aux emplacements des maximas de fluorescence de ces composantes (λex-em) à la place des scores des composantes PARAFAC.

Résultats et discussions

Modèles de prédiction des paramètres globaux dans les eaux brutes de la STEU Seine Centre

Cette partie concentrera les différentes relations identifiées entre les indices de fluorescence et les paramètres globaux solubles mesurés. Pour chaque paramètre étudié, les corrélations simples et multiples seront présentées. Seules les corrélations avec d’importants coefficients de détermination (r 2>0,5 ; p<0,01) seront discutées. Sur les 69 échantillons du jeu de données, 7 échantillons n’ont pas pu être pris en compte car les valeurs de paramètres globaux obtenues ont été jugées erronées et donc non transmises par le laboratoire certifié du SIAAP en charge de ces analyses.

Modèles de prédiction de paramètres globaux par régression linéaire simple dans les eaux brutes de STEU

L’ensemble des coefficients de corrélations obtenus entre les scores des composantes PARAFAC, les scores des composantes normalisés par le score de la composante C5, les indices de fluorescence et les paramètres globaux dans les eaux brutes de la STEU Seine Centre sont regroupés dans la matrice de corrélation du Tableau 13. Mis à part les corrélations entre les composantes PARAFAC discutées ci-dessous, seules les corrélations entre les paramètres globaux (DCOs, DBO5 soluble et [NH4 + ]) et les paramètres dérivés de la fluorescence/spectroscopie UVvisible seront discutées. Parmi ces paramètres dérivés de la fluorescence, nous utiliserons les ratios de scores de composante. Seules les composantes normalisées par la composante C5 (la plus humique) seront présentées, aucune corrélation avec les autres ratios de composante n’ayant été observée.

Corrélations entre les composantes PARAFAC

 Relations entre les scores des composantes PARAFAC (n = 62)
Le Tableau 12 présente les corrélations entre les composantes PARAFAC dans les eaux brutes de STEU.

Prédiction de la concentration en Ammonium dans les eaux brutes de la STEU Seine Centre

La forme ammoniacale de l’azote (NH4 + ) présente des corrélations significatives avec les indices de fluorescence et l’Abs254 dans l’eau brute de la STEU Seine Centre (n = 62). Le meilleur coefficient de détermination observé avec la concentration en NH4 + dans les eaux usées d’entrée de STEU est obtenu avec les scores de la composante C2 (r2 = 0,832 ; p<0,0001) (Figure 48). Celleci est associée aux composés de type substances humiques issues d’une activité biologique récente. La concentration en NH4 + présente également de plus faibles corrélations avec les scores des autres composantes PARAFAC tels que, par ordre décroissant : C3 (r2 = 0,676 ; p<0,001) associée aux composés de type tyrosine, C6 (r2 = 0,653 ; p<0,001) liée aux composés de type substances humiques, C4 (r2 = 0,640 ; p<0,001) représentative d’un mélange de protéines, C1 de type tryptophane (r2 = 0,633 ; p<0,001) et enfin C5 (r2 = 0,565 ; p<0,001) caractéristique de composés de type substances humiques.
On peut conclure que les mesures d’absorbance et de fluorescence présentent des potentiels de prédictions équivalents de la concentration en NH4 + dans les eaux usées de la STEU Seine Centre. Il faut noter que les corrélations observées entre les paramètres de fluorescence et la concentration en NH4 + sont sans doute dues à des phénomènes d’intercorrélations et non à une mesure directe de l’ammonium qui n’est pas fluorescent. Il est donc probable que la concentration en ammonium soit corrélée avec des composés organiques eux-mêmes liés avec certains paramètres de fluorescence, et en particulier la composante C2. On notera qu’une étude réalisée par Pons et al., (2005) a mis en évidence une relation entre la fluorescence mesurée à λex-em = 316/366 nm et la concentration de NH4 + dans les eaux brutes d’une STEU française (r² = 0,610 ; p<0,001 ; n = 67). Cette relation concerne un pic de intensité de fluorescence localisé à des longueurs d’ondes plus élevées en comparaison du pic C2 (λex-em = 295/404 nm) retenu pour notre étude. Cette différence peut être liée aux différents temps de séjour de la MO dans le réseau de collecte qui peuvent influencer la proportion d’azote sous forme ammoniacale. Ainsi outre la nature de la MO collectée, il est possible que la MO observée dans leur étude n’ait pas subi les mêmes processus de transformation durant son transport jusqu’à l’entrée de STEU que dans cette étude.

Prédiction de la demande chimique en oxygène soluble dans les eaux brutes de la STEU Seine Centre

La demande chimique en oxygène soluble (DCOs) présente un coefficient de détermination important avec la composante C3 liée aux composés de type tyrosine (r2 = 0,829 ; p<0,0001) tel que présenté dans la Figure 51. La DCOs est également reliée avec la fluorescence des composés amino-acides (C4 : r2 = 0,574 ; p<0,001) ainsi qu’avec les composés de types substances humiques issues d’une activité biologique récente (C2 : r2 = 0,563 ; p<0,001). Ces observations concordent avec les résultats des tests de biodégradabilités (cf A-II.2.3) où d’importants abattements des pics C3 (- 89 %) et C4 (- 79 %) ainsi que des pic C2 (- 66 %) ont été mis en évidence. Aucune autre étude n’a relié la fluorescence des composés fluorescents observés avec uniquement des échantillons d’eaux brutes de STEU (généralement plusieurs étapes de traitement) ce qui comme on l’a dit, peut augmenter artificiellement les coefficients de corrélations mesurés. On notera cependant que ces études ont montré des corrélations entre des composés de type protéinetryptophane avec les DCO mesurées pour un ensemble d’étapes de traitement (Reynolds, 2002 ; Bridgeman et al., 2013 ; Cohen et al., 2014).
Les autres composantes (C1, C5 et C6) sont nettement moins bien corrélées avec la DCOs.