Décembre
2008
Station d’épuration
Bessines
Licence Pro Traitement des Eaux
Fanny CASTUERA Fabien DELPY Richard PETIBON Amélie SALVIT
SOMMAIRE
I) Présentation de la station de Bessines Synoptique
page 2 page 3
II) Description de la station
page 4
III) Analyse de la filière eau
page 7
1. Caractéristiques de l’effluent brut
page 7
2. Caractéristiques des eaux épurées
page 9
3. Etude des ouvrages
page 11
IV) Analyse fonctionnelle de la filière des boues
page 13
V) Consommation énergétique
page 16
VI) Conclusion
page 17
1
La visite de la station a été réalisée le 18/12/2008. Le temps était couvert et pluvieux et les températures autour de 5°C. Nous réaliserons ici un bilan fonctionnel de la station.
I)
Présentation de la station de Bessines sur Gartempe
Informations sur la station de Bessines sur Gartempe Haute-Vienne (87) Département 1984 Date de construction / Mise en service Stereau Constructeur Commune Bessines Maître d’ouvrage DDE Maître d’œuvre Affermage Mode de gestion SAUR Exploitant 9500 EH/j ; kg DBO5/j ; m3/h Capacités nominales 600 m3/j
Débit moyen
Type de process
Traitement des effluents Traitement primaire par lit bactérien Boues activées, aération prolongée à faible charge Traitement des boues par centrifugation
Origine des pollutions Type de réseau
Unitaire sur ERU Séparatif sur ERI Domestique (20%) Abattoir (80% des effluents)
Effluents urbains Effluents industriels
Rejet des effluents traités Milieu récepteur Agence de bassin Normes en vigueur Fréquence des analyses Fréquences des analyses d’auto surveillance
La Vienne Objectif qualité IB (selon DIREN) Loire-Bretagne 2 février 1998
2
3
II)
Description de la station Le poste de relèvement
Il reçoit uniquement les eaux de l’abattoir ce qui représente un débit de pointe de 92,5 m3/h. Il est équipé d’un panier dégrilleur et de deux pompes de 50m3/h chacune. Une troisième pompe de secours serait à mettre en place pour assurer le transport de l’effluent en cas de panne. L’unité de prétraitement de l’abattoir ne fonctionnant pas, l’effluent contient beaucoup de graisses. Photo 1 Poste de relèvement
Le bassin tampon Il a un volume de 100 m3. Il retient les eaux d’abattoir afin de répartir le débit de l’effluent industriel sur la journée. Il est équipé d’un trop plein qui by-pass les effluents vers la rivière. Celui-ci devrait être placé au niveau du poste de relèvement ce qui permettrait une économie d’énergie. Il est équipé d’un suppresseur de 3kW permettant le brassage et l’aération de l’effluent pour limiter la fermentation et ainsi les odeurs. Photo 2 Bassin tampon
Les prétraitements L’effluent, composé d’eaux industrielles et d’eaux usées urbaines passe une lame siphoïde qui facilite la mesure de débit par la sonde US. Celle-ci va commander le fonctionnement d’un tamis de type Aquagard Andritz®. Il existe un by-pass du tamis en cas de panne avec un dégrillage de secours. Photo 3 Prétraitements
Un préleveur de type Aqualyse®, isotherme, non réfrigéré, est également asservi au débit. Il serait intéressant de thermostater ce préleveur afin d’éviter l’évolution des prélèvements. Le dessableur–dégraisseur est de type raclé. L’air injectée par Aéroflot® (0,25kW) fait remonter les graisses qui sont raclées et envoyées dans un bac à graisses. Le sable décante au fond de l’ouvrage et est repris par Béduvé® (3 kW) pour aller dans une fosse à sables.
4
En sortie de ce prétraitement, on retrouve beaucoup de graisses ce qui indique un sous dimensionnement de cet ouvrage. Celles-ci provoquent l’obturation du sprinkler. Le lit bactérien est un procédé à cultures fixées qui permet une élimination préliminaire de la matière organique (notamment du carbone). L’eau à traiter ruisselle sur un support poreux ordonné (Cloisonyle® dans notre cas) où sont fixés les microorganismes épurateurs. Photo 4 Sprinkler
L’eau est envoyée dans ce système par deux pompes de 50m3/h. L’effluent passe plusieurs fois dans le lit bactérien. Le trop plein est envoyé vers le bassin d’aération. On remarque que le sprinkler, bouché par les graisses n’envoie pas l’effluent de façon homogène sur le lit bactérien. Ceci peut entraîner, à long terme, une réduction de l’efficacité de l’épuration. De plus, le nettoyage du sprinkler est périlleux pour l’exploitant. Photo 5 Lits bactériens
Le bassin d’aération Le bassin d’aération a un volume de 515m et une profondeur de 3,3m. Le traitement est assuré par des boues activées en faible charge et en aération prolongée. Une turbine de surface pale ouverte de 18,5 kW permet l’aération et le brassage du bassin. Une turbine de secours devrait être ajoutée en cas de panne. Actuellement, si la turbine tombe en panne, l’aération et le brassage ne sont plus assurés. 3
Photo 6 Bassin d'aération
Le dégazeur Il ne présente pas de mousses. Il faudrait donc vérifier les apports en oxygène dans le bassin d’aération.
5
Le clarificateur Cet ouvrage a un volume de 558m3 et une surface de 186m2. Le pont racleur est équipé d’un racleur de fond et de surface permettant de récupérer les flottants en surface, mais également les boues ayant décantées. Les flottants sont envoyés vers le poste à flottants alors que les boues décantées vont dans le puits à boues où elles seront extraites ou recirculées dans le bassin d’aération. On remarque la présence de graisses et de boues à la surface du clarificateur. Ceci peut indiquer de la fermentation au fond du bassin : les gaz produits vont entraîner les boues en s’échappant.
Photo 7 Remontée de graisses sur le clarificateur
Le traitement des boues Une pompe Moineau entraîne les boues vers une égoutteuse verticale. En amont de cette pompe, un polymère est injecté pour faciliter l’épaississement des boues. Les boues sortent de l’égoutteuse avec une siccité de 4%. Elles sont ensuite directement envoyées dans le silo à boues. L’eau résiduelle est dirigée dans le bassin d’aération.
Photo 8 Egoutteuse verticale
La fosse de stockage des boues Le silo à boues a une capacité de stockage de 50m3. Cette capacité étant insuffisante, une bâche provisoire de 400m3 a été ajoutée. Les boues sont valorisées par épandage agricole. Cependant, la récupération des boues par les agriculteurs ne peut pas être réalisée directement dans la bâche à cause de la fermentation. Avant récupération, elles sont donc pompées dans la bâche et envoyées dans le silo pour une remise à l’air. Photo 9 Bâche de stockage des boues
Rejet de l’effluent Le rejet s’effectue au travers d’un canal venturi équipé d’une sonde US et d’un préleveur. Visuellement, l’’effluent de sortie ne paraît pas de bonne qualité (trouble,…). L’eau traitée est ensuite rejetée dans la Gartempe.
Photo 10 Rejet de l'eau traitée
6
III)
Analyse de la filière eau 1) Caractéristiques de l’effluent brut Analyse des paramètres physico-chimiques
Paramètres
Données
pH
7,1
conductivité DCO DBO5 MES N-NTK N-NH4 N-NO3N-NO2PT température [O2] Potentiel Redox
364 2382 1600 350 45 15.5 20 1,09 7,5 7,36
Valeurs usuelles 7,5 à 8,5 500 à 1500 300 à 1000 100 à 400 30 à 100 20 à 80 <5 <1 10 à 25 < 25
0,192
Unités
Flux
Equivalent en Habitants
Unités /
µS/cm / mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l °C mg/l V
1429 960 210 27 9,3 12 0,65 4,5
Kg/jour Kg/jour Kg/jour Kg/jour Kg/jour Kg/jour Kg/jour Kg/jour
11910 16000 3000 1800 / 1125 / / /
L’eau brute en entrée de station est très peu minéralisée. En effet sa conductivité est seulement de 364 µS/cm. Or usuellement une eau usée domestique en entrée de station a une conductivité comprise entre 500 et 1000 µS/cm. Ceci est dû à l’arrivée d’un effluent industriel (abattoir) qui est essentiellement de type organique. De plus l’effluent est fortement concentré en DCO, DBO5 et N-NO3-, ceux ci dépassent largement les valeurs usuelles des eaux usées domestiques en entrée de station d’épuration. La faible conductivité, le faible pH et les fortes concentrations en DCO, DBO5 et NNO3 , s’expliquent par les effluents provenant de l’abattoir, malgré la présence d’un bassin tampon en entrée de station. Biodégradabilité de l’effluent La forte concentration de DCO en entrée, est certainement caractéristique d’un effluent brut facilement biodégradable. Pour vérifier cette valeur nous prendrons les résultats des analyses du bilan 24 heures réalisés le 15/11/2008.
DCO
Concentrations en entrée 668 mg/l
DBO5
270 mg/l
Paramètres
𝑅𝑎𝑝𝑝𝑜𝑟𝑡 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑑é𝑔𝑟𝑎𝑑𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡é = DCO/DBO5 = 2,5
7
Le rapport de biodégradabilité est parfaitement respecté. Cependant cette valeur est simplement à titre indicatif puisque lors de notre visite, l’analyse de la DBO5 n’a pas été effectuée. Nous ne conserverons pas cette valeur pour l’ensemble des calculs, puisque ce bilan a été effectué un samedi et l’abattoir était fermé. On remarquera la variation de la pollution organique entre le 15 novembre et le 12 décembre 2008. La charge organique arrivant à la station est dépendante des rejets des industriels (abattoir). L’effluent du 12 décembre 2008 était d’autant moins biodégradable que son rapport C/N/P était inférieur à 100/5/1.
DBO5
Concentrations en entrée 1600 mg/l
NTK
45 mg/l
2,81%
PT
7,5 mg/l
0,47%
Paramètres
Pourcentages 100%
Ainsi l’effluent du 12 décembre présentait des carences nutritives, et était donc défavorable au bon développement des bactéries floculantes. Ceci peut s’expliquer par le fait que l’effluent est très chargé en pollution carbonée.
rH= 21,12
Graphique 1 Caractérisation de l'effluent par son potentiel d'oxydo-rédcution Source Dégrèmont
L’effluent est caractérisé d’« Eaux brutes normales ».Il n’est donc pas trop septique pour générer la production de composés soufrés et favoriser ainsi le développement de bactéries filamenteuses.
8
Taux organique et hydraulique 𝑇𝑎𝑢𝑥 𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑞𝑢𝑒 =
960 ∗ 100 = 168 % 570
Lors de notre visite, le taux organique était de 168%, contre 28,4% lors du bilan 24 heures du mois de novembre. 600 𝑇𝑎𝑢𝑥 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑞𝑢𝑒 = ∗ 100 = 42 % 1425 Au niveau hydraulique, la station fonctionne à 42% de sa capacité nominale. La différence entre le taux organique et le taux hydraulique montre parfaitement qu’au moment de l’analyse, l’effluent était chargé en matière carbonée. Ceci se voyait au niveau du dégrilleur, par la présence de divers composés alimentaires (viscères…). La station d’épuration de Bessines est donc tributaire des rejets des industriels. De manière à réduire ces fluctuations organiques, l’abattoir devrait peut-être optimiser son prétraitement de façon à diminuer les flux de DCO dans le temps et d’éviter ainsi une éventuelle surcharge de la station. L’effluent en entrée de la station n’est donc pas tout à fait favorable à un traitement biologique.
2) Caractéristiques des eaux épurées Paramètres
Données Normes Unités
Flux
Unités
Rendements
Normes
6,5-9
pH
7,1
Conductivité
294
DCO
71,5
125
mg/l
5,95
Kg/jour
97%
95%
DBO5
47,6
25
mg/l
1.19
Kg/jour
97%
90%
MES
19
35
mg/l
0
Kg/jour
94,57%
90%
N-NTK
15
8
mg/l
0
Kg/jour
88,22%
70%
N-NH4
4,9
mg/l
3.65
Kg/jour
N-NO3-
0,9
mg/l
0.63
Kg/jour
N-NO2-
0,021
mg/l
0,12
Kg/jour
PT
8
mg/l
0,45
Kg/jour
6,67%
90%
Température
7,2
[O2] Potentiel Redox Test au permanganate
µS/cm
1
°C mg/l
0,122
V
Niveau 1
9
Concernant les rejets, la station n’est pas conforme aux normes en vigueur. En effet, la teneur en phosphore est supérieure à la norme pour un rejet en zone sensible. De plus, le rendement épuratoire est inférieur au rendement minimal. Ceci peut s’expliquer par l’absence d’un traitement physico-chimique du phosphore. En ce qui concerne la pollution azotée, la concentration est supérieure à la norme de rejet, cependant le rendement d’élimination est supérieur au rendement minimal. L’eau de sortie est qualifiée d’ « Eaux brutes normales », ceci s’explique par un déficit en aération au niveau du traitement secondaire.
rH= 18,60
Graphique 2 Caractérisation de l'eau par son potentiel d'oxydo-réduction Source Dégrèmont
La station présente des rendements épuratoires satisfaisants sauf pour le PT. Etant donné que nous sommes en zone sensible, la mise en place d’un traitement physico-chimique du phosphore serait judicieuse. Afin d’augmenter le rH pour avoir une eau en sortie qualifiée de « clarifiée », il faudrait optimiser l’aération dans le but d’augmenter le EH. L’ajout de nutriments (P et N) dans le bassin d’aération permettrait de ne plus avoir un effluent carencé et avoir ainsi un traitement optimisé.
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3) Etude des ouvrages
Débit (m3/h)
Résultats Pour Q = 700 m3/j 92,5
Valeurs de référence /
Bassin d’aération Volume du bassin d’aération Concentration de la liqueur mixte Flux de MVS dans le BA
515 m3 17 g/l 6140 kg/j
Charge massique (kg DBO5 /j) Charge volumique (kg DBO5/ m3/j)
0,15 1,86
< 0.1 < 0,32
La charge massique est supérieure à 0,1kg de DBO5/j ce qui correspond à une faible charge. La charge volumique, supérieure à 0,32kg de DBO5/j correspond à une forte charge. Temps de séjour (en h) Temps de contact BA (en h)
21 10
24 24
Dans le bassin d’aération, le temps de séjour est de 21h. Il est correct pour l’épuration de l’effluent. Le temps de contact est assez faible. Système d’injection d’air ABS (en kg O2/kWh) CTG Apport en oxygène dissous (en kg O2/j) a’ b’ Besoins en oxygène (en kg O2/j)
Turbine de surface pale ouverte 1 0,7 212,4 0.65 0.07 966
L’apport en oxygène dissous est inférieur à la demande en oxygène (déficit de 80%). Ceci peut générer le développement de bactéries filamenteuses et des zones anaérobies entre les aérations et au niveau des dépôts. Débit de recirculation (en m3/j) Taux de recirculation théorique (en %) Taux de recirculation réel (en %)
600 1150 100
50
En ce qui concerne la recirculation, on peut remarquer que le taux théorique est très supérieur aux valeurs de référence. Le taux de recirculation réel est compris entre les valeurs de référence. La recirculation dans la station est donc beaucoup trop faible. Ces observations sont à corréler avec la faible hauteur du voile de boues dans le clarificateur (0,5 m au lieu de 1m minimum). Le faible taux de recirculation peut entraîner un stockage massif des boues dans le bassin d’aération et dans le clarificateur. Au vu des résultats obtenus par la mesure des MES dans le bassin d’aération (environ 17g/L), ces hypothèses semblent cohérentes.
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Type d'agitateur Puissance de l’agitateur Temps de fonctionnement Puissance du brassage
Turbine de surface pale ouverte 18500 W / 16,4 h/j 35,8 W/m3 >30 W/m3
La puissance de brassage est supérieure à 30 W/m3 (valeur référence). Elle est donc suffisante pour cet ouvrage. Clarificateur Surface du bassin Volume du bassin Vitesse ascensionnelle Vitesse ascensionnelle limite pour cet ouvrage
186 m2 558 m3 0,5 m/h 0,5 m/h
< 0,6 m/h
La vitesse ascensionnelle est inférieure à 0,6 m et correspond à la vitesse ascensionnelle limite. Elle est donc favorable à une bonne décantation des boues.
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IV)
Analyse fonctionnelle de la filière des boues
Test de décantation et indice de boue Appréciations -observations Marron foncé Pas d’odeur particulière Limpide Assez nette Très peu V30 = 250 ml dans 1L au 1/4 Limpide Nette
Couleur Odeur Décantation 30 min Dilution 1/2 Décantation 120 min
surnageant interface flottants volume surnageant interface flottants
V30 = 970 ml dans 1L V120 = 920 ml dans 1L
volume Description des flocs
5 à 10 mm de diamètre
Les observations du surnageant, de l’interface eau/boues et des flottants sont difficiles du fait des éprouvettes en matière plastique trop opaques. La taille des grains de flocs ainsi que leurs caractéristiques (flocs gros et lâches) ainsi que la couleur est la présence d’eau interstitielle indiquent une boue de faible charge et d’aération prolongée. Avec une dilution au ¼, nous trouvons un V30 de 250 ml. L’indice des boues est donc de 56,8 ml/g. Cet indice qui est inférieur à 80mL/g, indique une très bonne décantation des boues. Celles ci seront donc difficiles à extraire. Observations microscopiques Espèces observées
PROTOZOAIRES
Ciliés libres
Paramécie
Quantités relatives
+++
Péritriche Ciliés
Zoothamium Pygmaeum
++
Interprétations Souvent liée à des phases transitoires. Si elles sont grandes, l’eau est de bonne, voire très bonne qualité Si elles sont petites, la charge massique est plus élevée avec une aération suffisante Indicateur de faible charge. Présents sur des installations aux conditions de fonctionnement stables et d’une bonne capacité épuratrice au niveau de la pollution carbonée, aération permanente. Indicateur d’effluent traité de bonne à très bonne qualité.
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++
METAZOAIRES
Nématodes
AUTRES
Oligochètes
Aelosoma
Lignine
+
+
Présents dans tous types d’installations quelque soit la charge. Résistants à la sous aération du milieu. Pas caractéristiques de la qualité du traitement Signe de dépôts dans le bassin d’aération Présents uniquement dans systèmes d’âge de boues élevés, bien stabilisés et de très faible charge. Indique une bonne qualité de l’eau de sortie, d’une suroxygénation et de la présence de nitrate. Probablement due à la présence de feuilles mortes dans le bassin (pas de papeterie à proximité)
Les protozoaires sont les espèces observées en plus grandes quantités. Ceci révèle une aération suffisante, une bonne épuration en pollution carbonée ainsi qu’une eau traitée de bonne qualité. La présence des oligochètes confirme ces hypothèses. Ces observations ne sont pas en adéquation avec les résultats présentés précédemment. La présence de nématodes peut révéler des zones de dépôt dans le bassin d’aération. Production de boues
Avec le bilan 24 heures du 15 novembre
En utilisant le modèle AGHTM (MES/DBO5 = 0,77), la production de boues est égale à 159 kg de MS/j. La formule simplifiée donne une production de boues de 127 kg de MS /j. Nous prendrons la valeur de la méthode AGHTM car elle est plus précise.
Avec nos résultats
La seule formule que nous puissions utiliser est la formule simplifiée. La production de boues journalière est de 745 kg MS/j. La production de boues par rapport au bilan 24 heures est approximativement 5 fois plus importante. Calcul de l’âge des boues
Avec le bilan 24 heures du 15 novembre
L’Age des boues est d’environ 90 jours. Il est supérieur à 18 jours, ce qui correspond à une aération prolongée.
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Avec nos résultats
Avec nos résultats l’âge des boues est seulement de 22 jours. Capacité de stockage des boues et autonomie
Avec le bilan 24 heures du 15 novembre
La capacité de stockage des boues est de 450 m3. La siccité en sortie de traitement des boues étant de 4%, la production de boue journalière est de 4,65 m3. La capacité de stockage des boues est de seulement 11 jours avec le silo et de 97 jours en ajoutant la bâche.
Avec nos analyses
La capacité de stockage des boues est de 450 m3. La siccité en sortie de traitement des boues étant de 4%, la production de boue journalière est de 18.65 m3. La capacité de stockage des boues est de seulement 3 jours avec le silo et de 24 jours en ajoutant la bâche.
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V)
Consommation énergétique CONSOMMATION ENERGETIQUE Puissance unitaire (kW)
Puissance totale (kW)
temps de fonctionnement (h/j)
3,00 0,25
6,00 0,25
Lits bactériens
Pompes Surpresseur Pompes Aquagard Racleur Surpresseur Aéroflot Pompes
0,25 0,15 3,00 0,55 5,90
Bassin d'aération
Turbine
Clarificateur Recirculation
Pont racleur Pompes Pompe polymère Pompe égoutteur Agitateur polymère Pompe extraction
Oiuvrage
Appareil
Poste de relèvement Bassin tampon Degrilleur Dessableur-dégraisseur
Traitement des boues
Consommation (kW/j)
Part de consommation (%)
3,00 17,30
18,00
3,42
4,33
0,82
0,25 0,15 3,00 0,55 11,80
23,70 9,00 1,00 24,00 12,00
5,93
1,13
17,55
3,33
141,60
26,89
18,50
18,50
16,40
303,40
57,62
0,25 3,00 0,90 5,00 0,55 2,20
0,25 3,00 0,90 5,00 0,55 2,20
24,00 9,00 1,00 1,00 1,00 1,00
6,00 27,00
1,14 5,13
8,65
1,64
526,53
En prenant comme tarification du kWh 0,0833€ (tarif jaune EDF hiver), la consommation énergétique de la station revient à 44€ par jour, dont la plus grande partie correspond aux équipements du bassin d’aération et du lit bactérien (37€/jour).
Graphique 3 Consommation énergétique en pourcentage pour chaque ouvrage
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CONCLUSION Le rejet est effectué en zone sensible. Cette station ne respecte pas les normes pour le phosphore. Ceci étant, elle ne dépasse pas les valeurs rédhibitoires.
Elle est donc
conforme. Les pollutions carbonées et azotées sont éliminées correctement ce qui n’est pas le cas de la pollution phosphatée. Pour une meilleure élimination des phosphates, un traitement physico-chimique par le chlorure ferrique pourrait être mis en place. La station travaille à 184% de sa charge organique et à 42% de sa charge hydraulique. Elle est donc sous-dimensionnée en terme de pollution carbonée. Elle est au contraire surdimensionnée au niveau hydraulique. L’effluent d’entrée est donc très concentré en pollution carbonée à cause de l’abattoir. Le bassin tampon des eaux industrielles est quand à lui sous dimensionné. De plus, il aurait été judicieux de by-passer cet effluent au niveau du poste de relèvement pour réduire la consommation énergétique. Les graisses posent problème tout le long de la filière (sprinkler et clarificateur notamment). Le système de dégraissage de l’usine étant peu efficace, il serait bon de signaler ce problème à l’abattoir. De plus, le dégraisseur-dessableur est sous dimensionné voire même défaillant au sein même de la station. La puissance de brassage installée dans le bassin d’aération est correcte par rapport à son volume. Par contre, l’aération est très déficitaire. Ceci peut entraîner l’anoxie au sein du bassin. La présence de nématodes au sein des boues confirme la présence de ces zones anoxiques. On peut s’attendre également à la présence tôt ou tard de bactéries filamenteuses qui limiteront la décantation. Il faudrait prévoir l’ajout d’un système de secours pour le brassage et l’aération en cas de panne et renforcer ainsi le système d’aération. La faible hauteur du voile de boues dans le clarificateur dénote une extraction insuffisante des boues. Ce stockage important abouti à de la fermentation au fond du bassin qui entraîne de la dénitrification et des remontées de boues. On devrait donc retrouver un taux important de MES en sortie. Le problème du stockage des boues a été réglé provisoirement grâce à la bâche. Il faudrait tout de même trouver une solution à plus long terme. L’effluent de sortie est qualifié d’eau brute de part son potentiel d’oxydoréduction. Ceci confirme le mauvais fonctionnement de cette station.
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