Bac S 2015 Nouvelle Calédonie Session de remplacement Mars ...

Bac S 2015 Nouvelle Calédonie Session de remplacement Mars 2016
EXERCICE III - LE LAGUNAGE (5 points) http://labolycee.org Le lagunage est une technique d'épuration naturelle des eaux usées
particulièrement efficace en ce qui concerne la dégaradation de la matière
organique. Des villes comme Rochefort-sur-Mer (en Charente-Maritime) ou
encore Mèze (dans l'Hérault) ont opté pour cette solution. Cette technique
est aussi utilisée par des particuliers résidant en zone rurale pour
lesquels le raccordeement au tout-à-l'égout est difficile. Dans cet exercice, on s'intéresse à la relation entre la surface des
bassins de lagunage et leur capacité d'épuration.
Le lagunage à Mèze Les eaux usées de la ville sont collectées par les égouts puis acheminés
vers le lagunage.
La station de lagunage de Mèze est composée de plusieurs bassins qui sont
chacun ensemencés de différentes bactéries.
Dans les six premiers bassins, les bactéries anaérobies vont provoquer une
minéralisation qui va transformer 70% à 80% de la matière organique en eau,
sels minéraux et gaz. Ces composés vont s'écouler par trop plein vers un autre bassin, pour être
utilisés par les phytoplanctons dans leur processus de photosynthèse. La finition du traitement se fait dans les trois derniers bassins. Les
bactéries qui se sont développées dans les effluents vont être consommées
par les différentes espèces de zooplancton. La surface totale de lagunage est d'environ 15 ha, elle est dimensionnée
pour traiter les eaux usées d'une population de 15 000 personnes. On
considère qu'il y a globalement une relation de proportionnalité entre la
surface de lagunage et sa capacité d'épuration. Extrait des pages web du site de la communauté de communes nord du bassin
de Thau L'indice permanganate et capacité d'épuration
. L'indice permanganate (IP) est une grandeur qui permet d'estimer la
concentration en matières organiques présentes dans les eaux de surface
et les eaux potables. Cet indice correspond à la masse de dioxygène qu'il
aurait été nécessaire d'utiliser à la place de l'ion permanganate MnO4-,
pour oxyder les matières organiques contenues dans un litre d'eau à
analyser. L'indice permanganate s'exprime en mg de dioxygène par litre d'eau à
analyser (mg.L-1). La législation française précise que, pour une eau
destinée à la consommation humaine, l'indice permanganate doit être
inférieur à 5,0 mg.L-1.
On admet alors que si la quantité n0 d'ions permanganate est nécessaire
pour oxyder la matière organique d'un échantillon d'eau, la quantité de
dioxygène correspondante est : [pic].
Demi-équation associée au couple MnO4-(aq)/Mn2+(aq) : MnO4-(aq) + 5e-
+ 8H+(aq) = Mn2+(aq) + 4H2O(l)
Demi-équation associée au couple O2(aq)/ H2O(l) : O2(aq) + 4e- +
4H+(aq) = 2H2O(l)
. La capacité d'épuration est proportionnelle à la différence d'indices
permanganate (IP0 - IPs), où IP0 représente l'indice de permanganate des
eaux usées avant traitement et IPs l'indice permanganate en sortie de la
station de traitement. La surface de lagunage S est alors donnée par
l'expression suivante : S = k.(IP0 - IPs).
. Protocole de détermination de l'indice permanganate
Le protocole se déroule en 3 étapes : Étape 1 : la matière organique d'un échantillon d'eau à analyser est
oxydée en milieu acide à chaud par une quantité connue d'ions
permanganate introduits en excès.
Étape 2 : une fois toute la matière oxydée, on introduit dans le milieu
réactionnel une quantité connue d'ions oxalate C2O42-. Les ions oxalate
sont introduits, eux aussi, en excès : leur rôle est de réagir avec les
ions permanganate encore présents.
Étape 3 : pour finir, on dose les ions oxalate restants à l'aide d'une
solution de permanganate de potassium.
Détail du protocole :
. Dans un ballon, introduire un volume de 50,0 mL de l'eau à analyser, 3
grains de pierre ponce et un volume de 5,0 mL d'acide sulfurique de
concentration molaire 2 mol.L-1.
. Introduire, dans l'ampoule de coulée, un volume de 20,0 mL d'une
solution S1 de permanganate de potassium (K+(aq), MnO4-(aq)) de
concentration molaire 2,00 × 10-3 mol.L-1.
. Adapter un réfrigérant à eau sur le ballon bicol. Mettre en route la
circulation d'eau puis le chauffage.
. Verser la solution de permanganate de potassium lorsque le mélange
commence à bouillir.
. Maintenir une ébullition douce pendant 10 minutes.
. Enlever l'ampoule de coulée, puis ajouter, à l'aide d'une pipette, un
volume de 20,0 mL d'une solution S2 d'oxalate d'ammonium (2NH4+(aq),
C2O42-(aq)) de concentration molaire 5,00 × 10-3 mol.L-1.
. Arrêter la circulation d'eau, laisser refroidir à l'air et verser le
contenu du ballon dans un erlenmeyer. Introduire un barreau aimanté
dans l'erlenmeyer.
. Remplir la burette graduée avec la solution titrante S1.
. Placer l'erlenmeyer sur l'agitateur magnétique puis verser lentement la
solution titrante S1 dans le mélange. Cesser l'ajout lorsque la teinte
rosée persiste pendant plus de 30 secondes. Noter alors le volume VE de
solution S1 versé à l'équivalence.
Au cours de ce dosage, on montre que si l'on note n1 la quantité d'ions
permanganate introduite dans le ballon via l'ampoule de coulée, n0 la
quantité d'ions permanganate ayant réagi avec les matières organiques, n2
la quantité de matière d'ions oxalate introduite dans le ballon et nE la
quantité d'ions permanganate versée pour : V = VE alors [pic].
Questions préliminaires
1. Justifier que l'ion permanganate MnO4- et le dioxygène O2 sont les
oxydants dans les deux couples présentés. 2. Justifier que si une quantité n0 d'ions permanganate est nécessaire
pour oxyder la matière organique d'un échantillon d'eau, alors la
quantité de dioxygène nécessaire pour oxyder la même quantité de matière
organique est : [pic]. Un couple de résidents d'une petite commune du centre de la France a opté
pour le lagunage afin d'effectuer l'épuration des eaux usées de son
habitation. La surface totale des bassins de leur mini-station est de 15
m². L'indice de permanganate des eaux usées avant traitement par la mini-
station de ce foyer de deux personnes vaut IP0 = 11 mg.L-1. Une détermination de l'indice permanganate de l'eau rejetée dans la nature
après passage par leur mini-station est réalisée afin de savoir si cette
eau respecte la législation française sur le plan de la pollution
organique. La mise en ?uvre du protocole de détermination de l'indice permanganate sur
un échantillon d'eau prélevé à la sortie du lagunage permet de mesurer un
volume équivalent VE = 3,9 mL. Problème
Déterminer si la mini-station utilisée par le couple de résidents permet de
respecter la législation française relative à l'eau destinée à la
consommation humaine.
Dans le cas contraire, calculer la surface minimale nécessaire des bassins
de leur mini-station à partir de la capacité d'épuration.
Le résultat obtenu est-il cohérent avec la surface de lagunage du bassin de
Mèze ? Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche
suivie même si elle n'a pas abouti. La démarche suivie est évaluée et
nécessite d'être correctement présentée. Données :
> masse molaire atomique : M(O) = 16,0 g.mol-1 ;
> 1 ha = 10 000 m².
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Station de lagunage de Mèze