Traitement des eaux usées
A l'échelle mondiale, le traitement des eaux usées constitue le premier enjeu de santé public : plus de 4 000 enfants de moins de 5 ans meurent chaque jour de diarrhées liées à l’absence de traitement des eaux et au manque d’hygiène induit;
Les eaux usées sont toutes les eaux chargées de différents éléments du fait qu'elles ont été utilisés pour le lavage ou les toilettes, qui sont de nature à polluer les milieux dans lesquelles elles seront déversées. C'est pourquoi, dans un souci de respect de ces différents milieux, des traitements sont réalisés sur ces effluents.
Ces traitements peuvent être réalisés de manière collective dans une station d'épuration ou de manière individuelle. La plupart des stations d'épuration fonctionnent selon les mêmes processus de base, mais des différences plus ou moins importantes peuvent exister dans la manière de mettre en place ces processus. Le traitement se divise généralement en plusieurs étapes.
Prétraitement
Le prétraitement consiste en trois étapes principales qui permettent de supprimer de l'eau les éléments qui gêneraient les phases suivantes de traitement. Toutes les stations d'épuration ne sont pas forcément équipées des trois, seul le dégrillage est généralisé, les autres sont le dessablage et le déshuilage.
Dégrillage et tamisage
Le dégrillage et le tamisage permettent de retirer de l'eau les déchets insolubles tels que les branches, les plastiques, serviettes hygiéniques... En effet, ces déchets ne pouvant pas être éliminés par un traitement biologique ou physico-chimique, il faut donc les éliminer mécaniquement. Pour ce faire, l'eau usée passe à travers une ou plusieurs grilles dont les mailles sont de plus en plus serrées. Celles-ci sont en général équipées de systèmes automatiques de nettoyage pour éviter leur colmatage, et aussi pour éviter le dysfonctionnement de la pompe (dans les cas où il y aurait un système de pompage).
Dessablage
Le dessablage permet, par décantation, de retirer les sables mélangés dans les eaux par ruissellement ou amenés par l'érosion des canalisations. Ce matériau, s'il n'était pas enlevé, se déposerait plus loin, gênant le fonctionnement de la station et provoquant une usure plus rapide des éléments mécaniques comme les pompes. Les sables extraits peuvent être lavés avant d'être mis en décharge, afin de limiter le pourcentage de matières organiques, sa dégradation provoquant des odeurs et une instabilité mécanique du matériau.
Dégraissage Déshuilage par écumage des graisses
C'est généralement le principe de la flottation qui est utilisé pour l'élimination des huiles. Son principe est basé sur l'injection de fines bulles d'air dans le bassin de déshuilage, permettant de faire remonter rapidement les graisses en surface (les graisses sont hydrophobes). Leur élimination se fait ensuite par raclage de la surface. Il est important de limiter au maximum la quantité de graisse dans les ouvrages en aval pour éviter par exemple un encrassement des ouvrages, notamment des canalisations. Leur élimination est essentielle également pour limiter les problèmes de rejets de particules graisseuses, les difficultés de décantation ou les perturbations des échanges gazeux.
Le dessablage et le déshuilage se réalisent le plus souvent dans un même ouvrage: les sables décantent au fond de celui-ci tandis que les graisses remontent en surface.
Le déshuilage peut aussi se faire par coalescence. Ce procédé permet un niveau de déshuilage hors-norme.
Traitement primaire
En épuration des eaux usées le traitement primaire est une simple décantation qui permet de supprimer la majeure partie des matières en suspension. Ce sont ces matières qui sont responsables du trouble des eaux usées.
L'opération est réalisée dans des bassins de décantation dont la taille dépend du type d'installation et du volume d'eau à traiter. De la même manière, le temps de séjour des effluents dans ce bassin dépend de la quantité de matière à éliminer et de la capacité de l'installation à les éliminer.
La décantabilité des matières dans un bassin est déterminée par l'indice de Mohlman. Cet indice est déterminé chaque jour dans les stations d'épuration importantes afin de vérifier le bon fonctionnement du système.
À la fin de ce traitement, la décantation a permis de supprimer environ 60% des matières en suspension, environ 30% de la demande biologique en oxygène (DBO) et 30% de la demande chimique en oxygène (DCO). Cette part de DBO supprimée était induite par les matières en suspension. La charge organique restant à traiter est allégée d'autant.
Les matières supprimées forment au fond du décanteur un lit de boues appelé boues primaires.
Traitement secondaire
Le traitement secondaire se fait le plus couramment par voie biologique. Une voie physico-chimique peut la remplacer ou plus souvent s'y ajouter pour favoriser la floculation et coagulation des boues ou permettre, par exemple, la fixation des phosphates apportés, entre autres, par l'utilisation d'engrais pour les activités agricoles .
Traitement par voie biologique
Le traitement biologique le plus simple consiste à éliminer les composés organiques tels que sucres, graisses, protéines, etc. Ceux-ci sont nocifs pour l'environnement puisque leur dégradation implique la consommation de l'oxygène dissous dans l'eau nécessaire à la survie des animaux aquatiques. La charge en polluants organiques est mesurée communément par la DBO5 (demande biologique (ou biochimique) en Oxygène sur 5 jours) ou la DCO (Demande Chimique en Oxygène). Les bactéries responsables de la dégradation des composés organiques sont hétérotrophes.
Nitrification
Si les réacteurs biologiques permettent un temps de contact suffisant entre les effluents et les bactéries, il est possible d’atteindre un second degré de traitement : la nitrification. Il s’agit de l’oxydation de l’ammoniaque en nitrite, puis en nitrate par des bactéries nitrifiantes[2]. L’ammoniaque est un poison pour la faune piscicole. Les bactéries nitrifiantes sont autotrophes (elles fixent elles-mêmes le carbone nécessaire à leur croissance dans le CO2 de l’air). Elles croissent donc beaucoup plus lentement que les hétérotrophes. Une station d'épuration doit d’abord éliminer les composés organiques avant de pouvoir nitrifier.
Dénitrification
Une troisième étape facultative consiste à dénitrifier (ou dénitrater) les nitrates résultants de la nitrification. Cette transformation peut se faire en pompant une partie de l’eau chargée de nitrates de la fin de traitement biologique et la mélanger à l’eau d’entrée, en tête de traitement. La dénitrification se passe dans un réacteur anoxique, en présence de composés organiques et de nitrates. Les nitrates sont réduits en diazote (N2) qui s’échappe dans l’air. Les nitrates sont des nutriments qui sont à l’origine de l’envahissement d’algues dans certaines mers, en particulier la Mer du Nord. La dénitrification se fait généralement sur les petites stations d'épuration dans le même bassin que la nitrification par syncopage (arrêt de l'aération, phase anoxie). Cette étape tend à se généraliser pour protéger le milieu naturel.
Traitement par voie physico-chimique
Il regroupe l'aération et le brassage de l'eau mais aussi une décantation secondaire (dite aussi clarification).
À partir de ce dernier élément, l'eau clarifiée est rejetée (sauf traitement tertiaire éventuel) et les boues décantées sont renvoyées en plus grande partie vers le bassin d'aération, la partie excédentaire étant dirigée vers un circuit ou un stockage spécifique.
Le traitement secondaire peut comporter des phases d'anoxie (ou une partie séparée en anoxie) qui permet de dégrader les nitrates.
Déphosphatation
Le traitement du phosphore est généralement demandé sur les stations supérieurs à 10 000 équivalent habitant. Il peut être demandé sur des plus petites stations d'épuration suivant la sensibilité du milieu récepteur.
Cinq types de traitement sont possibles :
le traitement physique:
utilise des filtres ou des membranes afin d'enlever le phosphore.
le traitement chimique: il s'agit de réaction des sels formant des précipités insolubles au fond du bassin. D'autres composés chimiques tel que le calcium ou le fer peuvent être utilisés. Cette méthode reste assez coûteuse et augmente le volume à traiter.
un traitement combinant les méthodes chimiques et physiques.
l'EBPR (enhanced biologial phosphorous removal) qui consiste à l'accumulation de phosphore par des micro-organismes, sous forme de polyphosphate par exemple.
Acinetobacter spp. est une bactérie potentiellement responsable de cette accumulation de phosphore et est désignée sous le nom de PAOs (phosphorous accumulating organisms). L'EBPR est utilisé selon une configuration anaérobie - aérobie, et malgré le fait que ce système soit assez cher à mettre en place, il est favorable à l'environnement et rentable à long terme.
La compréhension de ce processus biologique doit être poursuivi notamment via des études FISH (Fluorescence in situ hybridization) sur les actinobactéries, et via des expériences faite en laboratoire à l'aide de bio-réacteurs reconstituant les conditions naturelles de cette accumulation de phosphore à travers des bactéries comme A. phosphatis, qui est utilisée à hauteur de 85% dans les bio-réacteurs.
le traitement biologique:
Un traitement biologique complété par un traitement physico-chimique est souvent utilisé.
Le phosphore est indispensable aux réactions biologiques liées au traitement de la pollution carbonée et azotée. Il s'agit alors d'assimilation biologique. Cette assimilation correspond à un ratio de 1 g de phosphore pour 100 g de carbone.
Si l'on inclut dans le traitement un bassin anaérobie, cette assimilation biologique peut être augmentée. Les bactéries, placées dans des conditions de potentiel redox très bas, surassimilent le phosphore par rapport à leur besoin. C'est ce que l'on appelle le traitement biologique du phosphore. Les bactéries peuvent relarguer le phosphore surassimilé si elles sont placées durablement dans des conditions de redox plus hautes. À l'inverse, si elles sont extraites rapidement du traitement, c'est une méthode de traitement sans réactif du phosphore.
Ce traitement est généralement insuffisant pour atteindre les niveaux de rejet exigés en sortie de station. Dans ce cas, on doit le compléter par un traitement physico-chimique. Ce traitement physico-chimique est obtenu par précipitation du phosphore avec des sels métalliques (chlorure ferrique sauf exception). (Voir aussi : cycle du phosphore)
Traitement tertiaire
Le traitement tertiaire n'est pas toujours réalisé. Cette étape permet de réduire le nombre de bactéries, donc de germes pathogènes présents dans l'eau traitée. Elle peut être demandée pour protéger une zone de baignade, un captage d'eau potable ou une zone conchylicole. Ce traitement peut être réalisé par ozonation, par un traitement aux UV ou pour des petites capacités de station d'épuration par une filtration sur sable (sable siliceux et de granulométrie spécifique).
Traitement bactériologique par rayonnement
Il existe une certaine variété de systèmes sur le marché. Le principe traditionnel de désinfection par rayonnement UV consiste à soumettre l'eau à traiter à une source de rayonnements UV en la faisant transiter à travers un canal contenant une série de lampes submergées. Depuis quelques années, l'on trouve aussi, surtout pour les petites stations de traitement des eaux usées, un système basé sur des réacteurs monolampe, qui offre des avantages au niveau de la maintenance et des coûts d'utilisation.
Traitement par voie physico-chimique
Le traitement tertiaire inclut un ou plusieurs des processus suivants:
désinfection par le chlore ou l'ozone (pour éliminer les germes pathogènes).
neutralisation des métaux en solution dans l'eau : en faisant varier le pH de l'eau dans certaines plages, on obtient une décantation de ces polluants.
Traitement des odeurs
Les premières phases du traitement, le dégrillage, le dessablage/deshuilage et la phase anaérobie du traitement biologique sont généralement confinées dans des bâtiments plus ou moins étanches afin que les mauvaises odeurs ne se répandent pas dans l'environnement de la station. Ce qui provoquerait des nuisances olfactives inacceptables par les riverains. Cet air nauséabond est collecté et traité. Il passe par trois tours de lavage : une d'acide sulfurique (H2SO4), une de Javel et une de soude[3].
