Adapté de la 3e édition, Encyclopaedia of Occupational Health and Safety.

Les eaux usées sont traitées afin d'éliminer les polluants et de respecter les limites fixées par la loi. A cet effet, on cherche à rendre les polluants de l'eau insolubles sous forme de solides (ex : boues), liquides (ex : huile) ou gaz (ex : azote) en appliquant des traitements appropriés. Des techniques bien connues sont alors utilisées pour séparer les eaux usées traitées destinées à être renvoyées dans les cours d'eau naturels des polluants rendus insolubles. Les gaz sont dispersés dans l'atmosphère, tandis que les résidus liquides et solides (boues, huiles, graisses) sont généralement digérés avant d'être soumis à un traitement ultérieur. Il peut y avoir des traitements en une ou plusieurs étapes selon les caractéristiques des eaux usées et le degré d'épuration requis. Le traitement des eaux usées peut être subdivisé en procédés physiques (primaires), biologiques (secondaires) et tertiaires.

Processus physiques

Les différents procédés de traitement physique visent à éliminer les polluants insolubles.

Tamisage

Les eaux usées sont amenées à passer à travers des tamis qui retiennent les solides grossiers susceptibles de bloquer ou d'endommager les équipements de l'usine de traitement (par exemple, les vannes et les pompes). Les projections sont traitées en fonction des situations locales.

Enlèvement de sable

Le sable contenu dans les eaux usées doit être éliminé car il a tendance à se déposer dans les canalisations du fait de sa forte densité et à provoquer l'abrasion des équipements (ex. séparateurs centrifuges et turbines). Le sable est généralement éliminé en faisant passer les eaux usées dans un canal de section constante à une vitesse de 15 à 30 cm/s. Le sable s'accumule au fond du canal et peut être utilisé, après lavage pour éliminer les matières putrescibles, comme matériau inerte, par exemple pour la construction de routes.

Élimination de l'huile

Les huiles et les graisses non émulsionnables doivent être éliminées car elles adhéreraient aux équipements des stations d'épuration (ex. bassins et clarificateurs) et interféreraient avec le traitement biologique ultérieur. Les particules d'huile et de graisse sont amenées à s'accumuler à la surface en faisant passer les eaux usées à une vitesse appropriée à travers des réservoirs de section rectangulaire ; ils sont écrémés mécaniquement et peuvent être utilisés comme combustible. Les séparateurs multi-plaques de conception compacte et à haut rendement sont fréquemment utilisés pour le déshuilage : les eaux usées sont amenées à passer par le haut à travers des piles de plaques plates inclinées ; l'huile adhère aux surfaces inférieures des plaques et se déplace vers le haut où elle est collectée. Avec ces deux procédés, l'eau déshuilée est rejetée au fond.

Sédimentation, flottation et coagulation

Ces procédés permettent d'éliminer les solides des eaux usées, les lourds (diamètre supérieur à 0.4 μm) par sédimentation et les légers (moins de 0.4 μm) par flottation. Ce traitement repose également sur les différences de densité des solides et des eaux usées en écoulement qui traversent des bassins de décantation et des bassins de flottation en béton ou en acier. Les particules à séparer s'accumulent au fond ou à la surface, décantant ou remontant à des vitesses proportionnelles au carré du rayon des particules et à la différence entre la densité des particules et la densité apparente des eaux usées. Les particules colloïdales (par exemple, les protéines, les latex et les émulsions huileuses) d'une taille de 0.4 à 0.001 μm ne sont pas séparées, car ces colloïdes s'hydratent et se chargent généralement négativement par adsorption d'ions. Par conséquent, les particules se repoussent de sorte qu'elles ne peuvent pas coaguler et se séparer. Cependant, si ces particules sont « déstabilisées », elles coagulent pour former des flocs supérieurs à 4 μm, qui peuvent être séparés sous forme de boues dans des bassins de décantation ou de flottation classiques. La déstabilisation est obtenue par coagulation, c'est-à-dire par addition de 30 à 60 mg/l d'un coagulant inorganique (sulfate d'aluminium, sulfate de fer (II) ou chlorure de fer (III)). Le coagulant s'hydrolyse dans des conditions de pH (acidité) données et forme des ions métalliques polyvalents positifs, qui neutralisent la charge négative du colloïde. La floculation (l'agglomération des particules coagulées en flocs) est facilitée par l'ajout de 1 à 3 mg/l de polyélectrolytes organiques (agents de floculation), ce qui donne des flocs de 0.3 à 1 µm de diamètre plus faciles à séparer. Des bassins de décantation du type à flux horizontal peuvent être utilisés ; ils ont une section rectangulaire et des fonds plats ou inclinés. L'eau usée entre par l'un des côtés de la tête et l'eau clarifiée sort par le bord du côté opposé. On peut également utiliser des réservoirs de sédimentation à écoulement vertical qui sont de forme cylindrique et ont un fond comme un cône circulaire droit inversé ; les eaux usées entrent par le milieu et les eaux clarifiées quittent le réservoir par le bord supérieur dentelé pour être collectées dans un canal circonférentiel externe. Avec les deux types de cuves, les boues se déposent au fond et sont acheminées (si nécessaire à l'aide d'un racleur) vers un collecteur. La concentration en matières solides dans les boues est de 2 à 10 %, alors que celle de l'eau clarifiée est de 20 à 80 mg/l.

Les réservoirs de flottation sont généralement de forme cylindrique et ont des diffuseurs d'air à fines bulles installés dans leurs fonds, les eaux usées entrant dans les réservoirs au centre. Les particules adhèrent aux bulles, flottent à la surface et sont écrémées, tandis que l'eau clarifiée est rejetée en dessous. Dans le cas des « bassins flottants à air dissous », plus performants, les eaux usées sont saturées d'air sous une pression de 2 à 5 bars puis on les laisse se dilater au centre du bassin flottant, là où les bulles infimes résultant de la la décompression fait flotter les particules à la surface.

Par rapport à la sédimentation, la flottation produit une boue plus épaisse à une vitesse de séparation des particules plus élevée, et l'équipement nécessaire est donc plus petit. Par contre, le coût d'exploitation et la concentration en solides dans l'eau clarifiée sont plus élevés.

Plusieurs cuves disposées en série sont nécessaires pour coaguler et floculer un système colloïdal. Un coagulant inorganique et, si nécessaire, un acide ou un alcali pour corriger la valeur du pH sont ajoutés aux eaux usées dans le premier réservoir, qui est équipé d'un agitateur. La suspension est ensuite passée dans une deuxième cuve équipée d'un agitateur à grande vitesse ; ici, le polyélectrolyte est ajouté et dissous en quelques minutes. La croissance du floc a lieu dans une troisième cuve avec un agitateur à marche lente et s'effectue pendant 10 à 15 minutes.

Processus biologiques

Les procédés de traitement biologique éliminent les polluants organiques biodégradables en utilisant des micro-organismes. Ces organismes digèrent le polluant par un processus aérobie ou anaérobie (avec ou sans apport d'oxygène atmosphérique) et le transforment en eau, en gaz (dioxyde de carbone et méthane) et en une masse microbienne solide insoluble séparable de l'eau traitée. En particulier dans le cas des effluents industriels, il faut garantir des conditions propices au développement des micro-organismes : présence de composés azotés et phosphorés, traces de microéléments, absence de substances toxiques (métaux lourds, etc.), température et pH optimaux. Le traitement biologique comprend des processus aérobies et anaérobies.

Processus aérobies

Les procédés aérobies sont plus ou moins complexes selon l'espace disponible, le degré d'épuration requis et la composition des eaux usées.

Bassins de stabilisation

Celles-ci sont généralement rectangulaires et profondes de 3 à 4 m. Les eaux usées entrent par une extrémité, y restent pendant 10 à 60 jours et quittent l'étang en partie à l'extrémité opposée, en partie par évaporation et en partie par infiltration dans le sol. L'efficacité épuratoire varie de 10 à 90 % selon le type d'effluent et la demande biologique résiduelle en oxygène sur 5 jours (DBO₅) teneur (<40 mg/l). L'oxygène est fourni à partir de l'atmosphère par diffusion à travers la surface de l'eau et à partir d'algues photosynthétiques. Les solides en suspension dans les eaux usées et ceux produits par l'activité microbienne se déposent au fond, où ils sont stabilisés par des processus aérobies et/ou anaérobies selon la profondeur des bassins qui affectent la diffusion à la fois de l'oxygène et de la lumière solaire. La diffusion de l'oxygène est fréquemment accélérée par les aérateurs de surface, qui permettent de réduire le volume des bassins.

Ce type de traitement est très économique si l'espace est disponible, mais nécessite un sol argileux pour éviter la pollution des eaux souterraines par des effluents toxiques.

Boues activées

Il s'agit d'un traitement accéléré réalisé dans des cuves béton ou acier de 3 à 5 m de profondeur où les eaux usées entrent en contact avec une suspension de micro-organismes (2 à 10 g/l) qui est oxygénée au moyen d'aérateurs de surface ou en insufflant de l'air. Après 3 à 24 heures, le mélange d'eau traitée et de micro-organismes est passé dans un décanteur où les boues constituées de micro-organismes sont séparées de l'eau. Les micro-organismes sont en partie renvoyés dans la cuve aérée et en partie évacués.

Il existe différents types de procédés à boues activées (par exemple, les systèmes de stabilisation par contact et l'utilisation d'oxygène pur) qui donnent des efficacités de purification supérieures à 95 % même pour les effluents industriels, mais ils nécessitent des contrôles précis et une consommation d'énergie élevée pour l'apport d'oxygène.

Filtres percolateurs

Avec cette technique, les micro-organismes ne sont pas maintenus en suspension dans les eaux usées, mais adhèrent à la surface d'un matériau de remplissage sur lequel les eaux usées sont pulvérisées. L'air circule à travers le matériau et fournit l'oxygène nécessaire sans aucune consommation d'énergie. Selon le type d'eaux usées et pour augmenter l'efficacité, une partie de l'eau traitée est recirculée vers le haut du lit filtrant.

Là où la terre est disponible, des matériaux de remplissage peu coûteux et de taille appropriée (par exemple, pierre concassée, clinker et calcaire) sont utilisés et, compte tenu du poids du lit, le filtre percolateur est généralement construit sous la forme d'un réservoir en béton de 1 m de haut généralement coulé dans le sol. S'il n'y a pas assez de terrain, des matériaux d'emballage légers plus coûteux tels que des supports en nid d'abeille en plastique à haut débit, avec jusqu'à 250 mètres carrés de surface / mètre cube de support, sont empilés dans des tours de percolation jusqu'à 10 m de haut.

Les eaux usées sont réparties sur le lit filtrant par un mécanisme de barbotage mobile ou fixe et collectées dans le sol pour être éventuellement recirculées vers le haut et être passées dans un bassin de décantation où les boues formées peuvent se déposer. Les ouvertures au bas du filtre percolateur permettent la circulation de l'air à travers le lit filtrant. Des efficacités d'élimination des polluants de 30 à 90 % sont atteintes. Dans de nombreux cas, plusieurs filtres sont disposés en série. Cette technique, qui nécessite peu d'énergie et est facile à mettre en œuvre, s'est largement répandue et est recommandée dans les cas où la terre est disponible, par exemple dans les pays en développement.

Biodisques

Un ensemble de disques plats en plastique montés parallèlement sur un arbre rotatif horizontal sont partiellement immergés dans les eaux usées contenues dans un réservoir. Du fait de la rotation, le feutre biologique qui recouvre les disques est mis en contact avec les effluents et l'oxygène atmosphérique. Les boues biologiques sortant des biodisques restent en suspension dans les eaux usées, et le système agit à la fois comme boues activées et décanteur. Les biodisques conviennent aux petites et moyennes usines industrielles et aux communautés, occupent peu d'espace, sont faciles à utiliser, nécessitent peu d'énergie et offrent des rendements allant jusqu'à 90 %.

Processus anaérobies

Les processus anaérobies sont réalisés par deux groupes de micro-organismes—bactéries hydrolytiques, qui décomposent des substances complexes (polysaccharides, protéines, lipides, etc.) en acide acétique, hydrogène, dioxyde de carbone et eau ; et bactéries méthanogènes, qui transforment ces substances en une biomasse (qui peut être éliminée des eaux usées traitées par sédimentation) et en un biogaz contenant 65 à 70 % de méthane, le reste étant du dioxyde de carbone, et ayant un pouvoir calorifique élevé.

Ces deux groupes de micro-organismes, très sensibles aux contaminants toxiques, agissent simultanément en l'absence d'air à un pH quasi neutre, certains nécessitant une température de 20 à 38^oC (bactéries mésophiles) et autres, plus délicates, 60 à 65^oC (bactéries thermophiles). Le procédé est réalisé en béton agité fermé ou en acier digesteurs, où la température requise est maintenue par des thermostats. Typique est le processus de contact, où le digesteur est suivi d'un décanteur pour séparer les boues, partiellement recirculées vers le digesteur, de l'eau traitée.

Les processus anaérobies n'ont besoin ni d'oxygène ni d'énergie pour l'approvisionnement en oxygène et produisent du biogaz, qui peut être utilisé comme combustible (faibles coûts d'exploitation). En revanche, ils sont moins efficaces que les procédés aérobies (DBO résiduelle₅: 100 à 1,500 XNUMX mg/l), sont plus lentes et plus difficiles à contrôler, mais permettent de détruire les micro-organismes fécaux et pathogènes. Ils sont utilisés pour traiter les déchets forts, tels que les boues de sédimentation issues des stations d'épuration, les boues en excès issues des traitements de boues activées ou de filtres percolateurs et les effluents industriels à DBO.₅ jusqu'à 30,000 XNUMX mg/l (par exemple, des distilleries, des brasseries, des raffineries de sucre, des abattoirs et des papeteries).

Processus tertiaires

Les procédés tertiaires plus complexes et plus coûteux utilisent des réactions chimiques ou des techniques chimicophysiques ou physiques spécifiques pour éliminer les polluants non biodégradables solubles dans l'eau, à la fois organiques (par exemple, les colorants et les phénols) et inorganiques (par exemple, le cuivre, le mercure, le nickel, les phosphates , fluorures, nitrates et cyanures), en particulier des eaux usées industrielles, car ils ne peuvent pas être éliminés par d'autres traitements. Le traitement tertiaire permet également d'obtenir un haut degré d'épuration de l'eau, et l'eau ainsi traitée peut être utilisée comme eau potable ou pour des procédés de fabrication (génération de vapeur, systèmes de refroidissement, eau de process à usage particulier). Les processus tertiaires les plus importants sont les suivants.

Précipitation

La précipitation s'effectue dans des réacteurs constitués d'un matériau approprié et équipés d'agitateurs où des réactifs chimiques sont ajoutés à une température et un pH contrôlés pour transformer le polluant en un produit insoluble. Le précipité obtenu sous forme de boues est séparé par les techniques classiques de l'eau traitée. Dans les eaux usées de l'industrie des engrais, par exemple, les phosphates et les fluorures sont rendus insolubles par réaction avec la chaux à température ambiante et à pH alcalin ; le chrome (tannerie), le nickel et le cuivre (ateliers de galvanoplastie) sont précipités sous forme d'hydroxydes à pH alcalin après avoir été réduits avec m-disulfite à un pH de 3 ou moins.

Oxydation chimique

Le polluant organique est oxydé avec des réactifs dans des réacteurs similaires à ceux utilisés pour la précipitation. La réaction est généralement poursuivie jusqu'à ce que de l'eau et du dioxyde de carbone soient obtenus comme produits finaux. Les cyanures, par exemple, sont détruits à température ambiante en ajoutant de l'hypochlorite de sodium et de l'hypochlorite de calcium à pH alcalin, tandis que les colorants azoïques et anthraquinoniques sont décomposés par le peroxyde d'hydrogène et le sulfate ferreux à pH 4.5. Les effluents colorés de l'industrie chimique contenant 5 à 10 % de matière organique non biodégradable sont oxydés à 200 à 300°C à haute pression dans des réacteurs en matériaux spéciaux en insufflant de l'air et de l'oxygène dans le liquide (oxydation humide) ; des catalyseurs sont parfois utilisés. Les agents pathogènes laissés dans les eaux usées urbaines après traitement sont oxydés par chloration ou ozonisation pour rendre l'eau potable.

Absorption

Certains polluants (par exemple, les phénols dans les eaux usées des cokeries, les colorants dans l'eau à usage industriel ou potable et les tensioactifs) sont efficacement éliminés par absorption sur de la poudre ou des granulés de charbon actif qui sont très poreux et ont une grande surface spécifique (de 1000 m²/g ou plus). La poudre de charbon actif est ajoutée en quantités mesurées aux eaux usées dans des réservoirs agités, et 30 à 60 minutes plus tard, la poudre usée est éliminée sous forme de boue. Le charbon actif granulé est utilisé dans des tours disposées en série à travers lesquelles passe l'eau polluée. Le charbon usé est régénéré dans ces tours, c'est-à-dire que le polluant absorbé est éliminé soit par traitement chimique (par exemple, les phénols sont lavés à la soude), soit par oxydation thermique (par exemple, les colorants).

Échange d'ion

Certaines substances naturelles (ex. zéolithes) ou composés artificiels (ex. Permutit et résines) échangent de manière stoechiométrique et réversible les ions qui leur sont liés avec ceux contenus, même fortement dilués, dans les eaux usées. Le cuivre, le chrome, le nickel, les nitrates et l'ammoniac, par exemple, sont éliminés des eaux usées par percolation à travers des colonnes remplies de résines. Lorsque les résines sont épuisées, elles sont réactivées par lavage avec des solutions régénérantes. Les métaux sont ainsi récupérés dans une solution concentrée. Ce traitement, bien que coûteux, est efficace et conseillé dans les cas où un haut degré de pureté est requis (par exemple, pour les eaux usées contaminées par des métaux toxiques).

Osmose inverse

Dans des cas particuliers, il est possible d'extraire de l'eau de haute pureté, propre à la consommation, des eaux usées diluées en la faisant passer à travers des membranes semi-perméables. Du côté des eaux usées de la membrane, les polluants (chlorures, sulfates, phosphates, colorants, certains métaux) sont laissés sous forme de solutions concentrées qui doivent être éliminées ou traitées pour être récupérées. Les eaux usées diluées sont soumises à des pressions allant jusqu'à 50 bars dans une installation spéciale contenant des membranes synthétiques en acétate de cellulose ou autres polymères. Le coût de fonctionnement de ce procédé est faible et des efficacités de séparation supérieures à 95% peuvent être obtenues.

Traitement des boues

L'insolubilisation des polluants lors du traitement des eaux usées entraîne la production de quantités considérables de boues (20 à 30 % de la demande chimique en oxygène (DCO) éliminée qui est fortement diluée (90 à 99 % d'eau)). L'élimination de ces boues dans des conditions acceptables pour l'environnement suppose des traitements dont le coût représente jusqu'à 50 % de ceux nécessaires à l'épuration des eaux usées. Les types de traitement dépendent de la destination des boues, dépendant tour à tour de ses caractéristiques et des situations locales. Les boues peuvent être destinées à :

• fertilisation ou déversement en mer s'il est substantiellement exempt de substances toxiques et contient des composés azotés et phosphorés (boues de traitement biologique), à ​​l'aide d'exutoires fixes, de camions ou de barges

• décharge sanitaire dans des fosses creusées dans le sol, alternant couches de boues et de terre. L'imperméabilisation des tourbes est nécessaire si les boues contiennent des substances toxiques susceptibles d'être lessivées par les précipitations atmosphériques. Les fosses doivent être éloignées des strates aquifères. Les boues organiques non stabilisées sont généralement mélangées à 10 à 15 % de chaux pour retarder la putréfaction.

• incinération dans des fours rotatifs ou à lit fluidisé si les boues sont riches en substances organiques et exemptes de métaux volatils ; si nécessaire, du carburant est ajouté et la fumée émise est purifiée.

Les boues sont déshydratées avant leur élimination pour réduire à la fois leur volume et le coût de leur traitement, et elles sont fréquemment stabilisées pour éviter leur putréfaction et rendre inoffensives les substances toxiques qu'elles pourraient contenir.

déshydratation

La déshydratation comprend un épaississement préalable dans des épaississeurs, semblables à des décanteurs, où les boues sont laissées pendant 12 à 24 heures et perdent une partie de l'eau qui s'accumule en surface, tandis que les boues épaissies sont rejetées en dessous. La boue épaissie est déshydratée, par exemple, par séparation centrifuge ou par filtration (sous vide ou sous pression) avec des équipements conventionnels, ou par exposition à l'air en couches de 30 cm d'épaisseur dans des lits de séchage des boues constitués de lagunes rectangulaires en béton, d'environ 50 cm de profondeur, avec un fond en pente recouvert d'une couche de sable pour faciliter l'évacuation de l'eau. Les boues contenant des substances colloïdales doivent être préalablement déstabilisées par coagulation et floculation, selon les techniques déjà décrites.

Stabilisation

La stabilisation comprend la digestion et la détoxification. La digestion est un traitement de longue durée de la boue au cours duquel elle perd 30 à 50 % de sa matière organique, accompagnée d'une augmentation de sa teneur en sels minéraux. Ces boues ne sont plus putrescibles, les éventuels pathogènes sont détruits et la filtrabilité est améliorée. La digestion peut être de type aérobie lorsque les boues sont aérées pendant 8 à 15 jours à température ambiante dans des cuves en béton, le processus étant similaire au traitement par boues activées. Elle peut être de type anaérobie si les boues sont digérées dans des installations similaires à celles utilisées pour le traitement anaérobie des déchets, à 35 à 40°C pendant 30 à 40 jours, avec production de biogaz. La digestion peut être de type thermique lorsque les boues sont traitées à l'air chaud à 200 à 250°C et à une pression supérieure à 100 bars pendant 15 à 30 minutes (combustion humide), ou lorsqu'elles sont traitées, en l'absence de air, à 180°C et à pression autogène, pendant 30 à 45 minutes.

La détoxification rend inoffensives les boues contenant des métaux (par exemple, le chrome, le nickel et le plomb), qui sont solidifiés par traitement avec du silicate de sodium et convertis de manière autothermique en silicates insolubles correspondants.

Retour