Exercices et corrigés

Etude de Chimie

Traitement des eaux usées

Traitement des eaux usées

Traitement des eaux usées

Comprendre le Traitement des Eaux Usées

Le traitement des eaux usées est un processus crucial qui vise à éliminer les polluants des eaux domestiques, municipales et industrielles avant leur rejet dans le milieu naturel (rivières, lacs, océans) ou leur réutilisation. L'objectif est de protéger la santé publique et les écosystèmes aquatiques en réduisant la charge en polluants organiques, en nutriments (azote, phosphore), en matières en suspension et en agents pathogènes. Une station d'épuration (STEP) est une succession d'étapes de traitements physiques, chimiques et, surtout, biologiques pour atteindre ces objectifs.

Données de l'étude

On étudie les performances d'une station d'épuration urbaine à boues activées, conçue pour traiter la pollution carbonée, azotée et phosphorée. Le débit moyen journalier traité est de 15 000 \(\text{m}^3\text{/jour}\).

Concentrations moyennes des polluants en entrée (influent) et en sortie (effluent) de la station :

Paramètre Concentration Entrée Concentration Sortie Norme de rejet UE (indicative)
DBO5 (\(\text{Demande Biochimique en Oxygène}\)) 350 \(\text{mg/L}\) 15 \(\text{mg/L}\) < 25 \(\text{mg/L}\)
DCO (\(\text{Demande Chimique en Oxygène}\)) 750 \(\text{mg/L}\) 80 \(\text{mg/L}\) < 125 \(\text{mg/L}\)
Azote Total Kjeldahl (NTK) 60 \(\text{mg N/L}\) - -
Azote Total (NGL) 65 \(\text{mg N/L}\) 12 \(\text{mg N/L}\) < 15 \(\text{mg N/L}\) (ou < 10 \(\text{mg N/L}\) en zone sensible)
Phosphore Total (P) 10 \(\text{mg P/L}\) 0.8 \(\text{mg P/L}\) < 2 \(\text{mg P/L}\) (ou < 1 \(\text{mg P/L}\) en zone sensible)

Hypothèses : La station dispose de traitements primaire, secondaire (biologique avec nitrification-dénitrification) et tertiaire (déphosphatation). L'azote en entrée est principalement sous forme organique et ammoniacale (NTK).

Schéma de Principe d'une Station de Traitement des Eaux Usées
Eau usée brute Rejet milieu naturel Prétraitement (Dégrillage, Dessablage) Décanteur Primaire Bassin Biologique Clarificateur Boues primaires Boues secondaires Recirculation boues activées Traitement des Boues Valorisation ou Élimination Schéma d'une Station d'Épuration

Illustration des principales étapes du traitement des eaux usées et de la filière boues.


Questions à traiter

  1. Décrire brièvement le rôle de chaque grande étape de traitement montrée dans le schéma : prétraitement, traitement primaire, traitement secondaire (bassin biologique + clarificateur).
  2. Calculer le rendement épuratoire (en %) de la station pour la DBO5, la DCO, l'azote total (NGL) et le phosphore total. Les performances de la station sont-elles conformes aux normes de rejet indicatives ?
  3. Quelle est la différence fondamentale entre la DBO5 et la DCO ? Pourquoi la valeur de la DCO est-elle systématiquement supérieure à celle de la DBO5 pour des eaux usées brutes ?
  4. Le traitement de l'azote (élimination de l'ammoniac et des nitrates) se fait en deux étapes biologiques clés dans le bassin : la nitrification et la dénitrification. Décrire ces deux processus en précisant les conditions nécessaires (présence/absence d'oxygène) et les bactéries impliquées. Écrire les équations chimiques simplifiées de chaque processus.
  5. Qu'est-ce que les "boues activées" ? Expliquer pourquoi une partie des boues secondaires est recirculée vers le bassin biologique.
  6. Quel est le devenir des boues primaires et secondaires extraites ? Citer deux filières de valorisation ou d'élimination possibles pour ces boues après traitement.
  7. En plus de la pollution organique et des nutriments, quelles autres catégories de polluants (micropolluants) peuvent être présentes dans les eaux usées urbaines et sont souvent mal éliminées par les stations classiques ? Donner deux exemples.

Correction : Traitement des eaux usées

Question 1 : Rôle des étapes de traitement

Principe :

Chaque étape de la filière de traitement a un objectif spécifique, permettant d'éliminer progressivement les différents types de pollution.

Description des étapes :
  • Prétraitement : C'est une étape purement physique qui vise à éliminer les éléments les plus grossiers pour protéger les ouvrages en aval.
    • Dégrillage : Retient les gros déchets (plastiques, branches, lingettes).
    • Dessablage/Déshuilage : Élimine par gravité les sables et graviers (plus denses que l'eau) et par flottaison les graisses et huiles (moins denses).
  • Traitement Primaire (Décantation primaire) : Étape physique de séparation. L'eau transite lentement dans un grand bassin (décanteur) pour permettre aux matières en suspension (MES) restantes, plus denses que l'eau, de se déposer au fond par gravité. Elles forment les "boues primaires". Cette étape élimine environ 50-70% des MES et 20-40% de la DBO5.
  • Traitement Secondaire (Biologique) : C'est le cœur de l'épuration. Il vise à éliminer la pollution organique dissoute et les nutriments (azote, phosphore) grâce à des micro-organismes (bactéries, protozoaires).
    • Bassin Biologique (ou Bassin d'aération) : L'eau est mise en contact avec une biomasse de micro-organismes (les "boues activées"). En présence d'oxygène (aération), ces bactéries consomment la matière organique dissoute pour leur croissance. Des zones sans oxygène (anoxie) permettent aussi la dénitrification.
    • Clarificateur (ou Décanteur secondaire) : Sépare l'eau traitée des boues activées par décantation. Une grande partie des boues est recirculée vers le bassin biologique pour maintenir une concentration suffisante en bactéries, le surplus ("boues en excès") est extrait et envoyé vers la filière de traitement des boues.
Résultat Question 1 : Prétraitement : élimination des gros déchets. Traitement primaire : décantation des matières en suspension. Traitement secondaire : élimination de la pollution dissoute par des micro-organismes.

Question 2 : Calcul des rendements épuratoires

Principe :

Le rendement épuratoire (\(R\)) pour un polluant donné se calcule en comparant sa concentration en entrée (\(C_{\text{entrée}}\)) et en sortie (\(C_{\text{sortie}}\)) de la station. Il exprime en pourcentage la quantité de polluant éliminée par la filière de traitement.

Formule utilisée :
\[R (\%) = \frac{C_{\text{entrée}} - C_{\text{sortie}}}{C_{\text{entrée}}} \times 100\]
Calculs :
  • Rendement DBO5 :
    \[R_{\text{DBO5}} = \frac{350 - 15}{350} \times 100 = \frac{335}{350} \times 100 \approx 95.7 \%\]
  • Rendement DCO :
    \[R_{\text{DCO}} = \frac{750 - 80}{750} \times 100 = \frac{670}{750} \times 100 \approx 89.3 \%\]
  • Rendement Azote Total (NGL) :
    \[R_{\text{NGL}} = \frac{65 - 12}{65} \times 100 = \frac{53}{65} \times 100 \approx 81.5 \%\]
  • Rendement Phosphore Total (P) :
    \[R_{\text{P}} = \frac{10 - 0.8}{10} \times 100 = \frac{9.2}{10} \times 100 = 92.0 \%\]
Conformité :

En comparant les concentrations de sortie aux normes indicatives :

  • DBO5 : 15 \(\text{mg/L}\) < 25 \(\text{mg/L}\) → **Conforme**
  • DCO : 80 \(\text{mg/L}\) < 125 \(\text{mg/L}\) → **Conforme**
  • NGL : 12 \(\text{mg N/L}\) < 15 \(\text{mg N/L}\) → **Conforme**
  • Phosphore : 0.8 \(\text{mg P/L}\) < 2 \(\text{mg P/L}\) → **Conforme** (et même conforme à la norme plus stricte de 1 \(\text{mg P/L}\))

La station présente d'excellents rendements et respecte les normes de rejet pour tous les paramètres étudiés.

Résultat Question 2 : Rendements : DBO5 \(\approx\) 95.7%, DCO \(\approx\) 89.3%, NGL \(\approx\) 81.5%, P = 92.0%. La station est conforme aux normes de rejet pour tous les paramètres.

Question 3 : Différence entre DBO5 et DCO

Principe :

La DBO5 et la DCO sont deux indicateurs globaux de la pollution organique d'une eau, mais ils ne mesurent pas exactement la même chose.

Définitions et différences :
  • DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène à 5 jours) : Mesure la quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes aérobies pour dégrader la matière organique biodégradable présente dans l'eau, dans des conditions standardisées (obscurité, 20°C, pendant 5 jours). Elle représente donc la fraction **biodégradable** de la pollution organique.
  • DCO (Demande Chimique en Oxygène) : Mesure la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement la quasi-totalité des matières organiques (biodégradables et non biodégradables) ainsi que certaines matières inorganiques réductrices (ex: sulfures, ions ferreux) présentes dans l'eau. L'oxydation est réalisée par un oxydant chimique fort (ex: dichromate de potassium) en milieu acide et à chaud.
  • Pourquoi DCO > DBO5 : Pour une eau usée brute, la DCO est toujours supérieure à la DBO5 car elle inclut non seulement la matière organique biodégradable (mesurée par la DBO5), mais aussi la matière organique non biodégradable (dite "réfractaire" ou "dure") et les composés inorganiques oxydables, qui ne sont pas pris en compte dans la mesure de la DBO5. Le rapport DCO/DBO5 donne une indication sur la biodégradabilité de l'effluent (un rapport faible, proche de 2, indique une bonne biodégradabilité).
Résultat Question 3 : La DBO5 mesure la pollution organique biodégradable, tandis que la DCO mesure la quasi-totalité de la matière organique (biodégradable + non biodégradable). La DCO est donc toujours supérieure à la DBO5.

Quiz Intermédiaire 1 : Si un effluent industriel contient une grande quantité de polluants organiques non biodégradables, on s'attend à ce que :

Question 4 : Nitrification et Dénitrification

Principe :

L'élimination biologique de l'azote (N) des eaux usées est un processus en deux étapes qui transforme l'azote ammoniacal toxique (\(\text{NH}_4^+\)) en diazote gazeux (\(\text{N}_2\)), inoffensif et retournant à l'atmosphère. Ces étapes sont réalisées par différents types de bactéries dans des conditions d'oxygénation contrôlées.

Description des processus :
  • Nitrification : C'est l'oxydation biologique de l'ammonium (\(\text{NH}_4^+\)) en nitrate (\(\text{NO}_3^-\)).
    • Conditions : Processus **aérobie** (nécessite la présence d'oxygène dissous).
    • Bactéries : Bactéries autotrophes chimiolithotrophes, principalement du genre *Nitrosomonas* (étape 1) et *Nitrobacter* (étape 2).
    • Équations simplifiées :
      \[\text{NH}_4^+ + 1.5 \text{ O}_2 \overset{\text{Nitrosomonas}}{\longrightarrow} \text{NO}_2^- + 2\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O}\]
      \[\text{NO}_2^- + 0.5 \text{ O}_2 \overset{\text{Nitrobacter}}{\longrightarrow} \text{NO}_3^-\]
  • Dénitrification : C'est la réduction biologique du nitrate (\(\text{NO}_3^-\)) en diazote gazeux (\(\text{N}_2\)).
    • Conditions : Processus **anoxique** (se produit en l'absence d'oxygène dissous, mais en présence de nitrates qui servent d'accepteur d'électrons). Nécessite une source de carbone organique biodégradable comme source d'énergie pour les bactéries.
    • Bactéries : Bactéries hétérotrophes facultatives (ex: *Pseudomonas*, *Achromobacter*).
    • Équation simplifiée (avec du méthanol \(\text{CH}_3\text{OH}\) comme exemple de source de carbone) :
      \[6 \text{ NO}_3^- + 5 \text{ CH}_3\text{OH} \longrightarrow 3 \text{ N}_2 (\text{g}) + 5 \text{ CO}_2 + 7 \text{ H}_2\text{O} + 6 \text{ OH}^-\]
Résultat Question 4 : Nitrification (aérobie) : \(\text{NH}_4^+ \rightarrow \text{NO}_3^-\). Dénitrification (anoxie) : \(\text{NO}_3^- \rightarrow \text{N}_2\). Ces deux étapes permettent l'élimination de l'azote.

Question 5 : Boues activées

Principe :

Les boues activées sont la biomasse microbienne responsable du traitement biologique dans le bassin d'aération.

Définition et rôle de la recirculation :
  • Définition : Le terme "boues activées" désigne un mélange de micro-organismes (principalement des bactéries, mais aussi des protozoaires, des rotifères, etc.) qui forment des flocs. Ces flocs sont capables d'adsorber et de dégrader la matière organique et les nutriments présents dans les eaux usées. On les dit "activées" car elles sont riches en micro-organismes vivants et actifs.
  • Rôle de la recirculation : Les bactéries dans le bassin se reproduisent, mais pas assez vite pour compenser le flux d'eau qui les entraîne hors du bassin. Si l'on ne faisait rien, la concentration en biomasse chuterait et le traitement s'arrêterait. La recirculation d'une partie importante des boues décantées dans le clarificateur vers le bassin d'aération permet de :
    • Maintenir une concentration élevée et constante de micro-organismes dans le bassin, assurant un traitement efficace et stable.
    • Sélectionner les bactéries qui s'agrègent bien en flocs et décantent bien, améliorant ainsi la séparation eau/boue dans le clarificateur.
Résultat Question 5 : Les boues activées sont une culture de micro-organismes qui dégradent la pollution. Leur recirculation depuis le clarificateur vers le bassin biologique est essentielle pour maintenir une concentration microbienne suffisante et garantir l'efficacité du traitement.

Question 6 : Devenir des boues d'épuration

Principe :

Les boues primaires (issues du décanteur primaire) et les boues en excès (la partie non recirculée des boues secondaires) doivent être traitées avant leur destination finale. Le traitement vise à réduire leur volume (déshydratation), leur pouvoir de fermentation (stabilisation) et leur teneur en pathogènes (hygiénisation).

Filières de valorisation ou d'élimination :

Après traitement (épaississement, déshydratation, stabilisation anaérobie/méthanisation, compostage, séchage thermique...), les boues peuvent suivre plusieurs voies :

  • Valorisation agricole (épandage) : C'est la filière la plus courante en France. Les boues traitées sont utilisées comme amendement organique et fertilisant sur les terres agricoles, en raison de leur richesse en matière organique, en azote et en phosphore. Cette pratique est très réglementée pour contrôler les apports en métaux lourds, micropolluants et pathogènes.
  • Compostage : Les boues sont mélangées avec des déchets verts (broyats de bois, feuilles) pour produire un compost normalisé. Le compost peut ensuite être utilisé en agriculture, en horticulture ou pour l'aménagement paysager.
  • Valorisation énergétique :
    • Méthanisation : La stabilisation anaérobie des boues produit du biogaz (riche en méthane, \(\text{CH}_4\)), qui peut être utilisé pour produire de la chaleur et/ou de l'électricité, souvent pour les besoins de la station elle-même (cogénération). Le résidu solide (digestat) peut ensuite être valorisé.
    • Incinération : Les boues déshydratées peuvent être incinérées dans des fours spécialisés ou co-incinérées (par exemple, en cimenterie). L'énergie peut être récupérée. Les cendres produites doivent ensuite être gérées (stockage).
  • Mise en décharge (stockage) : Cette option est de moins en moins utilisée et est considérée comme la moins souhaitable, car elle ne valorise pas la ressource et occupe de l'espace. Elle est réservée aux boues qui ne peuvent être valorisées autrement.
Résultat Question 6 : Après traitement, les boues peuvent être valorisées en agriculture (épandage, compostage) ou énergétiquement (méthanisation, incinération). La mise en décharge est une option résiduelle.

Question 7 : Micropolluants dans les eaux usées

Principe :

Les micropolluants sont des substances chimiques présentes à de très faibles concentrations (de l'ordre du nanogramme au microgramme par litre) mais qui peuvent avoir des effets toxiques sur l'environnement et la santé humaine. Les stations d'épuration classiques ne sont pas spécifiquement conçues pour les éliminer, et leur abattement est souvent partiel et variable.

Exemples de micropolluants :
  • Résidus de médicaments :
    • Exemples : Analgésiques (paracétamol, ibuprofène), antibiotiques, hormones (pilule contraceptive), anticancéreux, antidépresseurs.
    • Origine : Ils sont excrétés par l'homme après consommation et ne sont que partiellement dégradés dans le corps et dans la station d'épuration. Les antibiotiques posent en plus le risque de favoriser le développement de bactéries résistantes.
  • Produits de soins corporels et détergents :
    • Exemples : Conservateurs (parabènes), filtres UV, antibactériens (triclosan), parfums synthétiques, tensioactifs.
    • Origine : Provenant des douches, lessives, produits d'entretien, ils se retrouvent directement dans les eaux usées.
  • Pesticides : Même en zone urbaine, on retrouve des pesticides issus de l'entretien des jardins, des espaces verts ou des infrastructures de transport.
  • Plastifiants et retardateurs de flamme :
    • Exemples : Phtalates, bisphénol A (BPA), Polybromodiphényléthers (PBDE).
    • Origine : Issus de la dégradation et du lessivage de nombreux objets en plastique, textiles, meubles, etc. Beaucoup sont des perturbateurs endocriniens.
Résultat Question 7 : De nombreux micropolluants sont mal éliminés par les STEP classiques. Exemples : résidus de médicaments (antibiotiques, hormones) et plastifiants (phtalates, bisphénol A), qui peuvent avoir des effets toxiques à très faibles doses.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

8. Le traitement secondaire (biologique) des eaux usées vise principalement à :

9. La nitrification est un processus qui :

10. Que représente le rendement épuratoire d'une station d'épuration pour un polluant donné ?


Glossaire

Eaux usées
Eaux altérées par les activités humaines, qu'elles soient d'origine domestique, industrielle ou agricole.
Station d'épuration (STEP)
Installation destinée à dépolluer les eaux usées avant leur rejet dans le milieu naturel.
DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène à 5 jours)
Quantité d'oxygène nécessaire aux micro-organismes pour dégrader la matière organique biodégradable dans l'eau. C'est un indicateur de la pollution organique biodégradable.
DCO (Demande Chimique en Oxygène)
Quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement presque toutes les matières organiques (biodégradables ou non). C'est un indicateur de la pollution organique totale.
Azote Total Kjeldahl (NTK)
Mesure de la somme de l'azote organique et de l'azote ammoniacal (\(\text{NH}_4^+\)).
Azote Global (NGL)
Somme de toutes les formes d'azote (organique, ammoniacal, nitrites, nitrates).
Boues activées
Masse de micro-organismes utilisée dans le traitement biologique pour dégrader les polluants.
Nitrification
Processus biologique aérobie transformant l'ammonium en nitrate, réalisé par des bactéries autotrophes.
Dénitrification
Processus biologique anoxique transformant le nitrate en diazote gazeux (\(\text{N}_2\)), réalisé par des bactéries hétérotrophes.
Anoxie
Condition d'un milieu dépourvu d'oxygène dissous (\(\text{O}_2\)), mais où d'autres accepteurs d'électrons comme les nitrates (\(\text{NO}_3^-\)) sont présents.
Micropolluant
Substance polluante présente à de très faibles concentrations (ng/L à µg/L) mais pouvant avoir des effets toxiques (ex: résidus de médicaments, pesticides).
Rendement épuratoire
Pourcentage de la charge polluante entrante qui est éliminée par la filière de traitement.
Traitement des eaux usées - Exercice d'Application

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