Traitement des eaux usées

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.

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 :

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.

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).

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) :
    \[6 \text{ NO}_3^- + 5 \text{ CH}_3\text{OH} \longrightarrow 3 \text{ N}_2 (\text{g}) + 5 \text{ CO}_2 + 7 \text{ H}_2\text{O} + 6 \text{ OH}^-\]

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.

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.

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.