Traitement des eaux usées : pour un contrôle de son rejet en milieu naturel

Victoria JOB, Marina LORANDEL, Cindy MAGLIOCCO, Widiane OUDART, Manon PERALES et Violette RIVOAL.




Figure 1 Rejet des eaux usées sur http://www.hainaut.be/analyses/template/template.asp?page=accueil

Les eaux usées sont le produit de diverses activités humaines et peuvent être d’origine domestique, industrielle ou venir des eaux pluviales et de ruissellement. Les eaux domestiques se subdivisent en eaux ménagères provenant de la cuisine et de la salle de bain et lestées de graisses ou encore de détergent, et en eaux-vannes (rejet des toilettes) chargées de germes fécaux. Les eaux industrielles ont des compositions différentes d’une industrie à l’autre et peuvent nécessiter un traitement supplémentaire préalable avant d’être additionnées aux eaux domestiques.

         Ces eaux usées sont ensuite collectées et acheminées vers des stations d’épuration pour y être traitées puis rejetées dans le milieu naturel. Par ailleurs, on distingue ces usines des usines de potabilisation, qui puisent l’eau directement en milieu naturel et ajoutent des traitements correctifs afin de la rendre propre à la consommation. 


Figure 2 Schéma simplifié du parcours des eaux usées dans une usine d'épuration.


MESURE DES POLLUTIONS

Tout d’abord, les différentes pollutions de l’eau proviennent de  l’industrie, l’agriculture (engrais, pesticides,..) et le réseau urbain (eaux usées). Les eaux pluviales peuvent avoir un impact sur la pollution des eaux usées mais ne sera pas détaillé ici. Des mesures de pollution sont alors réalisées afin que l’eau polluée qui entre à l’usine de traitement soit rejetée suffisamment épurée de substances néfastes pour l’environnement. Ainsi, la qualité de l’eau en fin de traitement doit être constamment vérifiée. Pour cela, de nombreuses instances, telles que l’Etat, l’Agence Régionale de la Santé (ARS), le département et la commune améliorent la réglementation en vigueur et effectuent des contrôles sanitaires de l’eau dans ces usines. Ces contrôles de la qualité de l’eau portent sur différents indicateurs et permettent de vérifier si la valeur de leur concentration respecte les normes européennes  (cf tableaux 1 et 2). Les indicateurs majoritaires recherchés pour évaluer la qualité de l’eau sont les suivants :  
          - les matières en suspension (nommées MES) qui indiquent le niveau de turbidité de l’eau,
          - La demande biochimique en oxygène sur cinq jours (DBO5) qui marque la consommation de ce substrat par des bactéries aérobies lors du traitement secondaire, voire tertiaire. Un taux élevé de consommation d’oxygène signera alors une décontamination de polluants organiques,
          - les quantités d’azote et de phosphore dans l’eau qui peuvent provoquer un phénomène d’eutrophisation du milieu si elles sont trop élevées ;
          - une recherche indirecte de contaminants microbiens, tels les coliformes fécaux qui peuvent, à taux élevé, démasquer la présence d’agents pathogènes dans l’eau.

Ces contrôles permettent aussi de juger qualitativement  la qualité de l’eau (cf tableau 3).


Paramètres physico-chimiques
Valeurs limites de concentration (mg/mL)
Chlorures
200
Ammonium
0,1
Nitrates
≤ 50
Nitrites
≤ 0,1
Phosphore
5
Tableau 1 Limites de concentration des différents paramètres des eaux selon les normes françaises et européennes


Paramètres
Limites de bon état
Bilan de l’oxygène
DCO (mg O2/L)
20 à 30
Particules en suspension
MES (mg/L)
25 à 50
Turbidité
15 à 35
Effet des proliférations végétales
Chlorophylle (µg/L)
10 – 60
Saturation en O2 dissous (%)
110 à 130
pH
8 à 8,5
Tableau 2 Etat écologique des cours d'eaux
Excellente qualité
Bonne qualité
Paramètre
Eaux intérieures
Eaux côtières
Eaux intérieures
Eaux côtières
Entérocoques intestinaux (UFC/100 mL)
200
100
400
200
Escherichia coli (UFC/100 mL)
500
250
1 000
500
Tableau 3 Etude bactériologique des eaux selon les normes françaises et européennes


Paramètres
Limites de bon état
Bilan de l’oxygène
DCO (mg O2/L)
20 à 30
Particules en suspension
MES (mg/L)
25 à 50
Turbidité
15 à 35
Effet des proliférations végétales
Chlorophylle (µg/L)
10 – 60
Saturation en O2 dissous (%)
110 à 130
pH
8 à 8,5
Tableau 4 Limites de bon états des eaux


LES DIFFERENTES ETAPES DU TRAITEMENT DES EAUX

Le relevage et le prétraitement
Lorsque le relief n’est pas favorable, le transport des eaux usées jusqu’à la station d'épuration s’effectue par pompage ou à l’aide de vis d'Archimède.

Le but du prétraitement est de préparer l’eau aux traitements ultérieurs en la débarrassant des polluants qui pourraient empêcher le bon déroulement de ceux-ci ou abîmer les équipements. Il se déroule en trois phases : le dégrillage, le dégraissage et le dessablage mais seul le dégrillage est indispensable et généralisé à toutes les stations d’épuration.
Le dégrillage permet d’éliminer les matières solides volumineuses telles que les plastiques. L’eau passe à travers une grille, dont l’écartement des barreaux est plus ou moins petit, qui bloque le passage de ces polluants. Il peut être complété par le tamisage où les mailles des grilles sont plus réduites.
Le dessablage a pour but de débarrasser l’eau des sables et graviers qui pourraient abîmer les équipements en se déposant dans les conduits ou les systèmes de pompage. Il repose sur le principe de sédimentation. L’eau s’écoule lentement dans un bassin ce qui entraîne le dépôt des particules au fond de celui-ci. Les sables sont ensuite récupérés et envoyés en décharge.
Le dégraissage, comme son nom l’indique, vise à éliminer les graisses qui gêneraient les traitements biologiques par la suite. Il repose sur une séparation par flottation. De l’air est envoyé dans les ouvrages, les microbulles de gaz vont se fixer à la surface des corps gras, leur densité devient donc inférieure à celle de l’eau, elles remontent à la surface où elles seront raclées.

Traitement primaire
          
         A la suite du prétraitement, nous passons au traitement primaire. Nous allons chercher à éliminer les particules en suspension les plus lourdes par décantation. Ces particules sont souvent des argiles, des limons et des sables, du plancton, des parasites, des bactéries et même parfois des virus, ainsi que des produits contaminants. Nous procédons à une méthode physique de décantation, puis au besoin, on améliore la technique par une méthode chimique.
La méthode physique laisse reposer les eaux pendant plusieurs heures à plusieurs jours. Les particules sont entraînées au fond par gravité et nous récupérons ensuite l'eau sans particules par une méthode  appelée filtration d'affinage.
         Cependant la décantation physique ne fonctionne que pour les particules les plus lourdes. Pour les particules plus légères,  il faut utiliser la méthode chimique qui consiste à utiliser des produits appelés coagulants et floculants.
          La coagulation consiste à agglomérer les particules entre elles afin de les alourdir pour qu'elles puissent décanter tout comme dans la décantation physique. En général on utilise du claral (AlCl3). L'utilisation de ce coagulant a un effet acidifiant sur l'eau, c'est pourquoi il faut ensuite adapter le pH, notamment par addition de soude (NaOH).
      La floculation quant à elle a pour but d'augmenter le volume et donc le poids de l'agglomérat de matières en suspensions obtenu par la coagulation. Elle se fait par addition de polymères anioniques qui vont lier entre eux les agglomérats.

Traitement secondaire

Le traitement secondaire consiste à éliminer les matières dissoutes dans l’eau, comme les matières organiques, par voie biologique. Il peut être effectué selon  deux procédés biologiques : les cultures libres et les cultures fixées. Ce traitement sera développé principalement dans un troisième temps car il constitue le traitement principal du traitement des eaux usées.

Traitement tertiaire

Ce traitement est une étape d’affinage qui vise à améliorer la qualité de l’eau par l’élimination de substances restantes en suspension telles que le nitrate, le phosphate, des germes pathogènes pour l’homme,  des composés  comme les pesticides, les métaux. Il est effectué en vue du rejet de l’eau traitée dans le milieu naturel c’est-à-dire en rivière, près d’une culture de poisson ou d’une prise d’eau potable. En effet, une trop grande concentration de ces substances dans l’eau entraine des conséquences néfastes pour l’environnement (eutrophisation).  Par ailleurs, ce traitement peut être réalisé en parallèle (dans les mêmes biofiltres) ou à la suite du traitement secondaire.
- Le traitement de l’azote : Processus de nitrification / dénitrification

Tout d’abord, l’azote présent dans l’eau usée provient majoritairement des urines humaines et animales. Son traitement s’effectue par la succession de 2 processus : la nitrification puis la dénitrification. La nitrification est la dégradation de l’azote ammoniacal en nitrites exercée par des bactéries aérobies lors d’un apport volontaire d’oxygène. A l’inverse, la dénitrification a lieu en condition anaérobie, lorsque les bactéries sont privées d’oxygène et en présence de méthanol. Elles vont alors le récupérer par une autre dégradation, celle des nitrates issus de la nitrification en azote gazeux.
- Le traitement du phosphate : Elimination par voie biologique ou physico-chimique.

Tout d’abord, le phosphore retrouvé dans les eaux usées provient des engrais utilisés en agriculture et en industrie (détergents, des lessives phosphatées) et des excréments humains. Son élimination en usine d’épuration s’effectue par voie biologique ou chimique par précipitation du phosphore permise par la chaux, les sels d’aluminium ou le fer.

Par ailleurs, il existe d’autres techniques de désinfection par le chlore (majoritairement utilisé en France), l’ozonation (plus efficace mais plus coûteuse), la filtration sur sable (potabilisation de l’eau) ou par les rayonnements ultraviolets.

Clarification

La clarification est une étape qui va pouvoir débarrasser l’eau des particules présentes en suspension et ainsi rendre l’eau limpide.
Tout d’abord, on ajoute un agent chimique dit « coagulant » afin de permettre aux particules présentes dans l’eau de s’agglomérer entre elles. Cela a pour but de former des agglomérats pour diminuer les petites particules, qui seront plus difficilement éliminées. Ces agglomérats sont appelés « flocons ».

Ensuite, l’eau va dans des bassins dits « bassins de décantation » où le poids de ces flocons va, ou non, les entraîner au fond de ces bassins.
Grâce à ces deux méthodes, les plus grosses particules ont pu être éliminées. Néanmoins il est nécessaire d’éliminer les petites particules non agglomérées.
Pour cela, l’eau est filtrée, le plus souvent à travers du sable pour ainsi clarifier l’eau un maximum.

Désodorisation

Le traitement des eaux usées génère des composés malodorants qui constituent une pollution si cet air pollué est rejeté dans l’atmosphère. Afin de limiter le dégagement d’odeurs, les locaux de traitements des eaux usées sont ventilés et l’air « vicié » est collecté puis envoyé vers une station de désodorisation. Les composés malodorants qu’on retrouve dans cet air sont principalement des composés azotés (ammoniac et amines), soufrés (sulfure d'hydrogène, mercaptans) et des composés organiques volatils (aldéhydes, cétones, hydrocarbures) en plus faible quantité.

     - Traitement chimique

L’air est envoyé vers une unité de traitement qui contient 3 tours. Dans chaque tour, l’air circule de bas en haut et les solutions de lavage sont pulvérisées à contre-courant. Cette technique permet la destruction des odeurs : il s’agit d’une modification chimique de la molécule odorante qui est transformée en une molécule inodore et non toxique. C’est une désodorisation active qui s’oppose à la désodorisation  passive (masque ou neutralise les odeurs).
La première tour permet un lavage acide.
Le milieu acide est obtenu par de l’acide sulfurique H2SO4 à 98%. Le milieu acide donne lieu à la formation de sulfate d’ammonium et d’amines.
             -  La seconde tour permet un lavage oxydo-basique.
Le milieu est maintenu à un pH de 9 grâce à un dosage d’eau de Javel (Hypochlorite de sodium) et de soude (NaOH). Cette tour permet l’élimination de certains produits soufrés (H2S, (CH3)2S, CH3SH) grâce à une oxydation chimique.
                -  La troisième tour assure l’étape finale du lavage fortement basique.
Le milieu est fortement basique grâce à de la soude (NaOH) à 30%. Les composés soufrés sont totalement éliminés. C’est également dans cette tour que les composés organiques volatils (mercaptans, aldéhydes, et cétones) sont captés. Un pH de 11 est maintenu par ajout de soude.
Ces techniques d'élimination physico-chimiques donnent de bons résultats mais leurs coûts d'exploitation sont assez élevés en raison des quantités importantes de réactifs chimiques utilisées.

     - Traitement biologique

Le traitement biologique des odeurs utilise des micro-organismes (bactéries) qui réalisent l'oxydation des substances organiques et inorganiques malodorantes en composés inorganiques non odorants.
La bio désodorisation utilise des réacteurs avec des cultures fixées sur un support, minéral ou organique (tourbe, terre, charbon actif…) Le support permet de fixer les bactéries épuratrices et d’adsorber les composés organiques à éliminer. A l’intérieur du réacteur, une circulation d’air permanant, un taux d’humidité constant et un apport en éléments nutritifs aident au développement des bactéries. L'oxygène est apporté par l’air qui traverse le réacteur.
La désodorisation biologique consiste à faire circuler l’air vicié dans ce type de réacteur. Les bactéries réalisent donc leur oxydation, ce qui permet leur survie et la désodorisation des composants malodorants.
Cette méthode nécessite très peu de maintenance et de réactifs. Son coût d'exploitation est donc plus faible.


LE TRAITEMENT SECONDAIRE : LE TRAITEMENT MICROBIOLOGIQUE   
               
            Le traitement secondaire, aussi appelé «  Epuration Biologique » a comme objectif d’éliminer les matières dissoutes dans l’eau, comme les matières organiques. De plus, cette étape met en jeu de nombreux micro-organismes, notamment des bactéries. Celles-ci vont dégrader naturellement ces matières dissoutes. Mais encore, le traitement secondaire utilise plusieurs procédés différents afin de réaliser cette dégradation. Ces techniques dépendent de la nature de la culture. On distingue alors le procédé biologique à culture libre et les procédés biologiques à culture fixées.

- Le Procédé biologique à culture libre.
       C’est une méthode de brassage des eaux appelée « à boues activées » avec une suspension riche en micro-organismes hétérotrophes. Cette méthode est aussi efficace pour le relargage de ces eaux dans des zones sensibles. En outre, cette technique sert à l’élimination de la pollution carbonée et azotée (comme la Biofiltration) ainsi que l’élimination biologique du phosphore. Elle se déroule en trois étapes.
Tout d’abord le remplissage. C’est une étape de mise en contact des eaux usées avec une biomasse dans un bassin d’aération. Ce bassin assure l’approvisionnement en oxygène à l’aide d’aérateurs de surface (sous forme de turbine ou de brosse) ou par soufflement d’air.
Ensuite, la décantation, qui consiste à l’extraction entre la phase d’eaux épurées et la phase de boues. C’est une phase qui a lieu dans un clarificateur placé à la sortie du bassin d’aération. Une fois la séparation faite, l’eau est évacuée tandis que les boues sont récupérées.
Enfin, la vidange, celle-ci correspond à l’évacuation des eaux traitées et le stockage puis traitement des boues retrouvées en excès au niveau du décanteur.
Ce procédé présente de nombreux avantages. Non seulement c’est une technique rapide avec une installation qui prend peu de place, mais elle ne provoque aucune nuisance olfactive. Néanmoins, elle n’empêche pas la nuisance sonore en plus d’exiger un investissement de départ élevé.

- Le Procédé biologique à culture fixée 
              Aussi appelé «  l’aérobie en culture fixe », il fait intervenir des micro-organismes, qui ne se développent qu’en présence d’oxygène, et sont fixés sur un support. Ce genre de procédé forme deux grands types de produits comme le dioxyde de carbone (CO2) ainsi que de l’ammoniaque (NH3) en plus de la biomasse.
D’ailleurs, ce dispositif présente principalement deux grands mécanismes :
Pour commencer, la Bio filtration, c’est un mécanisme qui assure le traitement des polluants carbonés, azotés et des nitrates. Elle met en jeu une phase solide (le filtre), une phase liquide (les eaux) et une phase gazeuse. Cette technique repose sur le passage des eaux à travers un filtre où sont fixées des bactéries. Ce filtre peut être de différentes natures sous forme de toile, de couche poreuse ou de réservoir rempli de graviers.

Mais encore, cette méthode contient trois grandes étapes : la filtration, le transfert et la dégradation des polluants.
Ce mécanisme comporte de nombreux avantages. Elle utilise de faibles volumes réactionnels comparés aux boues activées. C’est une technique très rapide, elle a un temps réactionnel de 3 semaines à 1 mois.
Cependant, elle demande beaucoup d’attention, c'est-à-dire que le filtre doit être lavé tous les jours afin d’éviter d’être bouché. L’entretien global est aussi coûteux à cause de l’utilisation de matériaux et équipements sophistiqués. Enfin, elle a un temps de contact assez court, ce qui rend la technique moins efficace.

Il existe aussi une autre technique, appelée  « le lit bactérien » ou encore « filtre percolateur ». Elle se compose d’un réacteur généralement de forme cylindrique contenant des matériaux à masse vide. Ce mécanisme permet l’écroulement des eaux usées sur la partie supérieure par gravité à travers celui-ci. On parle plus précisément d’une phase d’aération qui se fait soit par ventilation soit par tirage naturel. Cette phase va amener le développement d’une masse microbienne qui, lorsqu’elle est présente en trop forte concentration, se sépare de la phase précédente par décantation.
Lors de ce mécanisme, le lit bactérien peut être lui aussi de différentes natures et différentes en fonction du taux de vide.

On en distingue 4 grands types : les lits à faibles charges, les lits à fortes charges, les lits à remplissage traditionnel et les lits à remplissage plastique.
Ainsi, les avantages de cette méthode, sont qu’elle consomme un faible taux d’énergie. Elle demande peu d’entretien et a un fonctionnement simple. Cependant elle demande un coût d’investissement important et nécessite un prétraitement efficace. Elle est aussi sensible aux variations de température, surtout au froid et peut devenir, en cas de mauvaise exploitation, une source de développement d’insectes.


CONCLUSION

Le traitement des eaux usées est donc un processus complexe et malgré des règles strictes concernant la qualité de l’eau, il est parfois difficile d’éliminer complètement certaines substances néfastes pour l’Homme et l’environnement (notamment les pesticides et les micropolluants). Néanmoins, les contaminations pour l’Homme restent très rares et les traitements très efficaces. Aujourd’hui, la qualité de la ressource en eau pose de nouveaux problèmes puisque souvent de mauvaise qualité, la faute notamment aux rejets de polluants industriels.



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