Qu'est-ce que la turbidité ?

Définition de la turbidité

Dans sa forme la plus simple, la turbidité est simplement le caractère trouble de l'eau. Ce trouble provient généralement de particules en suspension dans l'eau que nous ne pouvons pas voir individuellement. Ces particules peuvent être des algues, des saletés, des minéraux, des protéines, des huiles ou même des bactéries.

La turbidité est une mesure optique qui indique la présence de particules en suspension. Elle est mesurée en projetant de la lumière à travers un échantillon et en quantifiant la concentration de particules en suspension. Plus il y a de particules dans une solution, plus la turbidité est élevée.

Il est important de noter que si la turbidité est en corrélation avec les matières en suspension, la mesure de la turbidité n'est pas la même que la mesure des matières en suspension totales (MES). Les mesures des MES sont gravimétriques, c'est-à-dire qu'elles quantifient la masse des solides en suspension dans un échantillon, en pesant les solides séparés.

Lire aussi : "Guide de l'analyse environnementale de l'eau".

Importance de la turbidité

La turbidité est un paramètre de référence de la qualité de l'eau dans tous les environnements, de l'installation municipale de production d'eau potable à la surveillance de l'environnement.

L'objectif principal du traitement de l'eau potable est d'éliminer la turbidité. Tout au long du process de traitement, la turbidité est mesurée à plusieurs étapes afin de déterminer l'efficacité du traitement et de garantir la conformité avec les réglementations gouvernementales. Les matières en suspension (terre, algues, etc.) dans l'eau réduisent l'efficacité des produits chimiques désinfectants et peuvent servir de support aux bactéries et aux parasites.

Ces particules en suspension se manifestent par une eau qui semble légèrement trouble et dont la turbidité est élevée. Même si la turbidité ne réduit pas l'efficacité de la chloration, la clarté globale de l'eau est un indicateur de qualité qui rassure le consommateur quant à sa sécurité. Après tout, personne ne souhaite boire de l'eau trouble au robinet !

La turbidité a une grande importance dans la surveillance de l'environnement, où la turbidité de l'eau peut indiquer une pollution. Par exemple, après une tempête, les eaux de ruissellement provenant de l'agriculture, de la forêt et des chantiers de construction peuvent rapidement inonder les eaux naturelles de sédiments. Cela peut perturber la vie aquatique qui vit au fond de l'eau, ce qui nécessiterait des travaux de dragage pour remédier à la situation.

En dehors de l'eau potable, des eaux usées et de l'environnement, la mesure de la turbidité est utile dans les domaines viticoles ainsi que dans d'autres secteurs de l'industrie alimentaire et des boissons.

Comment mesurer la turbidité ?

Il existe de nombreuses méthodes pour mesurer la turbidité. En tant que mesure du degré de trouble de l'eau, nous pouvons utiliser toutes sortes de méthodes, depuis les méthodes visuelles jusqu'aux instruments de mesure grandeur nature, pour la quantifier.

Certaines méthodes visuelles sont idéales pour une utilisation environnementale rapide sur le terrain, comme le disque de Secchi. Il s'agit d'un disque que l'on fait descendre dans l'eau jusqu'à ce qu'il ne soit plus visible. La profondeur à laquelle le disque n'est pas visible est la profondeur de Secchi. Cette méthode est subjective et fonctionne mieux dans les eaux naturelles à faible turbidité et à faible courant.

Le meilleur moyen de mesurer la turbidité d'une grande variété d'échantillons est d'utiliser un néphélomètre, également connu sous le nom de turbidimètre. Les turbidimètres utilisent un détecteur de lumière et de photo pour mesurer la diffusion de la lumière et donnent des mesures en unités de turbidité, telles que les unités de turbidité néphélométriques (NTU) ou les unités de turbidité de la formazine (FTU).

Comment réduire la turbidité ?

La plupart des efforts de réduction de la turbidité sont axés sur la prévention des phénomènes de ruissellement. Cependant, les usines de production d'eau potable et de traitement des eaux usées traitent l'eau brute pour en réduire la turbidité. Des réglementations sont établies afin de garantir la salubrité de l'eau potable et l'efficacité des process. L'une des premières étapes du process de traitement de l'eau potable consiste à éliminer les particules en suspension dans l'eau.

Pour obtenir une clarification, l'eau est mélangée à un coagulant, tel que l'alun. La terre et les autres particules ont une charge négative et se repoussent les unes les autres, ce qui entraîne la dispersion des particules fines. L'ajout d'alun neutralise les matières en suspension, de sorte que les particules se rassemblent pour former des particules plus grosses, appelées "floc". L'eau passe ensuite dans un bassin de sédimentation, où des médias filtrants éliminent le floc.

Si l'eau brute est naturellement moins turbide (généralement l'eau souterraine), le processus de sédimentation peut être raccourci, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent. Une fois la plupart des particules dissoutes éliminées, l'eau passe par un filtre final qui élimine jusqu'à 99,5 % des solides en suspension restants.

L'USEPA exige que 95 % des échantillons d'eau potable prélevés au cours d'une période d'un mois aient une mesure de turbidité inférieure à 0,5 NTU et qu'aucun échantillon ne dépasse 5 NTU à un moment donné.

Choisir son turbidimètre

Les turbidimètres sont des appareils dotés d'une source lumineuse, d'une lentille et d'un détecteur situé à 90° de la source lumineuse qui fonctionnent ensemble pour mesurer la turbidité d'un échantillon. Lorsqu'un échantillon est placé sur le trajet entre la source lumineuse et le détecteur, certaines des particules de l'échantillon diffusent la lumière de manière à ce qu'elle atteigne le détecteur à 90°. Le détecteur détermine la quantité de lumière diffusée et compare la mesure aux étalons d'une courbe d'étalonnage.

Certains instruments intègrent un autre détecteur à 180° pour tenir compte de la lumière transmise. Cela peut être utile dans le cas d'échantillons à forte turbidité pour corriger la perte de lumière due à l'atténuation et à la rétrodiffusion (réflexion). Les mesures de turbidité à 90° et 180° sont appelées méthode ratio.

Turbidimètres conformes aux normes EPA

Les instruments conformes à l'EPA sont conformes à la méthode standard 180.1, la norme pour la détermination de la turbidité dans les échantillons d'eau potable, d'eau souterraine, d'eau de surface, d'eau usée et d'eau de mer. Ses performances sont optimales dans une plage de 0 à 40 NTU, ce qui en fait l'instrument idéal pour les échantillons à faible portée.

En outre, ces instruments doivent répondre aux exigences suivantes : (Extrait de Methods for the Determination of Inorganic Substances in Environmental Samples) :

• Source lumineuse à lampe de tungstène fonctionnant à une température de couleur comprise entre 2200 et 3000°K
• Distance parcourue par la lumière incidente et la lumière diffusée à l'intérieur du tube à échantillon : le total ne doit pas dépasser 10 cm
• Détecteur : Centré à 90° par rapport au trajet de la lumière incidente et ne devant pas dépasser ±30° par rapport à 90°. Le détecteur et, le cas échéant, le système de filtrage doivent avoir une réponse spectrale maximale entre 400 et 600 nm
• La sensibilité de l'instrument doit permettre de détecter une différence de turbidité de 0,02 NTU ou moins dans des eaux dont la turbidité est inférieure à 1 unité

Sur la base de ces exigences, les instruments conformes à l'EPA sont :

(+) Idéals pour les mesures à faible portée, telles que l'eau potable
(+) Conformes aux normes de l'EPA en matière de rapports d'utilisation
(–) De performances médiocres avec les échantillons colorés en raison de l'absorbance de la lumière blanche

Turbidimètres conformes à la norme ISO

Les instruments conformes à la norme ISO constituent le deuxième type d'instrument de mesure de la turbidité le plus courant. Ces instruments ont des exigences similaires à celles de l'EPA, mais présentent quelques différences essentielles :

• La longueur d'onde de la source "lumineuse" doit être une DEL infrarouge de 860 nm. Notez qu'il ne s'agit techniquement pas de lumière visible, mais de rayonnement infrarouge (IR)
• La largeur de bande spectrale du rayonnement incident doit être inférieure ou égale à 60 nm

Les instruments conformes à la norme ISO sont également dotés de détecteurs de lumière situés à environ 90° de la source de rayonnement, bien que la méthode permette également d'utiliser des détecteurs situés à d'autres angles pour déterminer la quantité de lumière atténuée par l'échantillon (c'est-à-dire à 0°). Dans l'ensemble :

(+) Les instruments de mesure ISO utilisent une LED infrarouge qui élimine les interférences dues à la couleur de l'échantillon
(+) La prise en charge de la méthode du ratio permet une plus grande précision dans les échantillons à turbidité élevée
(–) Non accepté par l'Agence Américaine pour la Protection de l'Environnement (US-EPA) à des fins d'établissement de rapports

Une fois que vous avez votre instrument, la prise de mesures de la turbidité est facile et ne nécessite que quelques étapes simples :

1. Étalonner l'instrument à l'aide de cuvettes étalons
2. Remplissez une cuvette avec votre échantillon
3. Nettoyez l'extérieur de la cuvette et, si vous travaillez avec des échantillons de très faible turbidité, utilisez de l'huile de silicone sur l'extérieur de la cuvette
4. Placez la cuvette à l'intérieur de l'instrument et effectuez la mesure

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Solutions étalons de turbidité

Les solutions étalons de turbidité constituent une partie toute aussi importante de la mesure. La plupart des étalons de turbidité modernes sont fabriqués à partir de formazine, un polymère synthétique dont la taille des particules est uniforme. La plupart des autres unités de turbidité sont basées sur les FTU mais varient en fonction de la méthode utilisée. Il existe de nombreuses unités différentes, mais en voici quelques exemples : le polymère est fabriqué à partir d'hydrazine et d'hexaméthylène tétramine. La cohérence de ce composé a conduit à son adoption par presque tous les organismes de normalisation, tels que l'ISO, l'EPA et l'ASBC. Une suspension de 1,25 mg/L de sulfate d'hydrazine et de 12,5 mg/L d'hexaméthylènetétramine dans l'eau présente une turbidité d'une unité de turbidité formazine ("FTU").

La plupart des autres unités de turbidité sont basées sur les FTU, mais varient en fonction de la méthode utilisée. Il existe de nombreuses unités différentes, mais en voici quelques exemples :

• Unités de turbidité néphélométriques (NTU) : unité égale à la FTU mais mesurée à l'aide d'un turbidimètre conforme aux normes de l'EPA.
• Unité de rapport de turbidité néphélométrique (NTRU) : unité basée sur l'EPA qui utilise la méthode du ratio pour déterminer la turbidité.
• Unités néphélométriques de formazine (FNU) : égal à FTU mais mesuré selon les normes ISO 7027 pour la conception de l'instrument
• Société américaine des chimistes brasseurs (ASBC-FTU) : utilise les normes ASBC pour la conception du turbidimètre.

Lors du choix d'un instrument de mesure de la turbidité, il est important de déterminer la méthode à laquelle vous êtes susceptible de vous conformer. Il existe de nombreux modèles de turbidimètres, mais deux sont plus courants : ceux qui sont conformes à la Norme EPA 180.1 et ceux qui sont conformes à la Norme ISO 7027.

Il est important de noter que les instruments ne sont pas approuvés individuellement par ces organismes. Ils se contentent de se conformer aux exigences fixées par ces normes.

Quel que soit le type d'instrument choisi, n'oubliez pas de consulter les organismes de réglementation si les valeurs de turbidité doivent faire l'objet d'un rapport. Les deux instruments peuvent utiliser des étalons de formazine ou AMCO-AEPA-1, un étalon disponible dans le commerce.

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6 conseils pour des mesures précises de la turbidité

Maintenant que vous savez comment prendre des mesures et quels types d'instruments existent, nous allons aborder certaines des meilleures pratiques pour mesurer la turbidité :

1. Utilisez de bonnes cuvettes

Comme nous l'avons vu, lorsque nous mesurons la turbidité, nous mesurons la turbidité d'un échantillon causée par des solides en suspension. Pour ce faire, nous avons besoin d'un récipient pour contenir notre échantillon. Tout comme pour les mesures colorimétriques du chlore ou de la DCO, nous utilisons des cuves, ou cuvettes, pour contenir notre échantillon.

Les cuves sont un élément essentiel de l'équation, car la lumière les traverse tout comme l'échantillon. Veillez à ce que vos cuvettes soient claires et exemptes de toute rayure. Les rayures interfèrent avec la manière dont la lumière passe à travers le verre, ce qui entraîne des résultats faussement élevés.

Heureusement, il suffit de remplacer les cuvettes tachées ou présentant des rayures visibles.

2. Huilez vos cuvettes

Tout comme les rayures et les imperfections visibles sur le verre peuvent affecter vos mesures de turbidité, de petites imperfections imperceptibles peuvent également affecter vos résultats. Ces rayures apparemment microscopiques sont particulièrement importantes si vous mesurez des échantillons dans la gamme basse, comme c'est le cas pour l'eau potable.

L'huile silicone peut être utilisée pour masquer les imperfections mineures du verre. L'huile de silicone a le même indice de réfraction que le verre et n'interfère donc pas avec les mesures. Il suffit de prendre quelques gouttes d'huile, de les ajouter à la cuvette, puis d'essuyer soigneusement la cuvette avec un chiffon non pelucheux. Une fois cette opération effectuée correctement, vous devriez obtenir une cuvette qui semble pratiquement sèche et dont l'huile n'est pas visible.

Il est important de noter que l'huile de silicone n'est efficace que pour combler les petites imperfections du verre. Les rayures importantes et visibles doivent être considérées comme un signe de remplacement de la cuvette en verre.

3. Utilisation de solutions étalons récentes

Bien que les étalons modernes à base de formazine soient plus stables et plus fiables que ceux utilisés historiquement, ils restent périssables. Les méthodes de l'EPA stipulent que les étalons de formazine (à 40 NTU) fabriqués en interne doivent être préparés tous les mois et que toute dilution à partir de cet étalon doit être préparée tous les jours.

Pour gagner du temps, recherchez des étalons primaires AMCO-AEPA-1 disponibles dans le commerce et adaptés à votre instrument. Idéalement, ces étalons devraient être livrés en kit dans des flacons pré-scellés que vous pouvez facilement placer dans la cuvette. Les étalons AMCO sont également beaucoup plus faciles à conserver que les étalons de formazine faits maison, ce qui permet de les utiliser pendant environ 3 ans. Recherchez celles qui sont accompagnées d'un certificat d'analyse (COA) et d'une date de péremption pour plus de tranquillité d'esprit.

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4. Nettoyage de la cuvette

Les taches sur la cuvette peuvent absorber la lumière ou la diffuser, ce qui se traduit par une mesure de la turbidité du verre sale et de l'échantillon. Il est essentiel que les cellules de turbidité soient particulièrement propres.

Si des taches se forment sur le verre, utilisez une solution de nettoyage adaptée pour éliminer les taches. Une fois nettoyées, veillez à rincer vos cellules de turbidité avec de l'eau exempte de turbidité, telle que de l'eau déionisée de grande pureté filtrée à travers une membrane filtrante ≤ 0,2 µm.

5. Utilisation de la méthode ratio

Lorsque les particules en suspension dans un échantillon augmentent, l'échantillon a tendance à diffuser ainsi qu'à absorber et à réfléchir la lumière. Cette lumière "perdue" peut entraîner une différence entre les mesures de turbidité et la valeur réelle.

Vous pouvez résoudre le problème des échantillons à forte turbidité de deux manières. La première consiste à diluer les échantillons très turbides avec de l'eau sans turbidité. Une fois dilués, les échantillons sont mesurés normalement, puis corrigés à l'aide d'un facteur de dilution. La norme EPA 180.1 exige la dilution de tout échantillon supérieur à 40 NTU avant la mesure.

Une autre façon de compenser la lumière rétrodiffusée ou atténuée est d'utiliser la méthode du rapport. De nombreux instruments sont équipés d'autres détecteurs à différents angles pour déterminer et compenser la lumière perdue. Les conceptions utilisant ces méthodes sont conformes à la Standard Method 2130B et USEPA Interim Enhanced Surface Water Treatment Rule.

6. Évitez la condensation sur vos cuves

Avec le temps, de la condensation peut se former sur le verre, surtout si les échantillons sont froids. La condensation sur l'extérieur du verre obscurcit la lumière de vos échantillons, ce qui entraîne des mesures de turbidité erronées.

Vous pouvez éviter ce problème en essuyant régulièrement vos cuvettes avec un chiffon propre et non pelucheux. L'huilage de la cuvette contribue à réduire la condensation, mais il est important d'être attentif à ce détail apparemment mineur.