Traitement des eaux usées

Bassins utilisés dans une usine de traitement des eaux usées (ici vides) de la ville d'Albury en Australie.

À l'échelle mondiale, le traitement des eaux usées constitue le premier enjeu de santé publique : 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^[1].

Les eaux usées sont toutes les eaux chargées de différents éléments provenant de la population mais aussi des activités commerciales et industrielles du fait qu'elles ont été utilisées 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 par le réseau d'assainissement urbain. L'objectif des traitements n'est pas toujours de rendre l'eau potable : certains usages ne nécessitent pas d'eau propre à la consommation^[2]. On parle alors de recyclage des eaux usées.

Dans tous les cas, les 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.

Histoire

Des hommes préhistoriques ont disposé leurs campements près de cours d'eau, l'eau leur servant comme boisson, moyen de transport, source d'énergie mais aussi comme moyen d'assainissement. Durant l'Antiquité, les eaux usées des agglomérations sont collectées et évacuées par des égouts et parfois traitées par phytoremédiation, comme les Romains utilisant les plantes des marais pour leur Cloaca Maxima ou se servant des eaux usées comme engrais^[3].

Au Moyen Âge, le développement anarchique des villes rend difficile la mise en place de réseaux d'égouts.

Le traitement des eaux usées est historiquement récent et est lié à la croissance démographique importante dans les villes consécutive à la révolution industrielle. La décomposition des matières organiques est étudiée dans les années 1920, ce qui permet de développer l'épuration biologique.

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, etc. 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, la dégradation de celles-ci 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 à l'origine 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 de l'eau 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.

Le traitement primaire des eaux usées domestiques tend à disparaître en France avec la généralisation du traitement secondaire à boues activées qui comporte déjà une étape de décantation^[4]. C'est notamment le cas lorsque les effluents sont régulièrement dilués par des eaux de pluie et donc moins décantables. Il est alors plus économique de se passer de traitement primaire et de surdimensionner le traitement secondaire.

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 .

Traitement par voie biologique

Traitement des composés organiques

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 dioxygène 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. Pour accélérer la dégradation des composés organiques, il faut apporter artificiellement de l'oxygène dans les eaux usées.

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^[5]. 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. (Voir aussi : cycle de l'azote)

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 supérieures 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 faites 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. La technique de PCR-DGGE permet également d'aider à la compréhension de ce process d'autant plus qu'elle est très répendue, qualitative et semi-quantitative pour l'évaluation de la communauté microbienne^[6][7].

• 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).

• réaction du chlorure ferrique avec le phosphore:

FeCl₃ + NaH₂PO₄ → FePO₄ + NaCl + 2HCl

Traitement tertiaire

Traitement bactériologique

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 UV

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 quaternaire

Elimination des micropolluants

Les procédés de traitement listés ci-dessus ne permettent pas d'éliminer les micropolluants des eaux traitées. On désignent par micropolluants les composés traces présents dans les eaux à des concentrations très faibles (de l'ordre du microgramme ou du nanogramme par litre) et qui même en concentrations infimes peuvent exercer un effet nocif sur les organismes aquatiques. Par exemple: les résidus médicamenteux, les hormones, les pesticides ou encore les cosmétiques^[8].

En Suisse, suite à l'entrée en vigueur en 2015 d'une modification de la loi fédérale et de l'ordonnance sur la protection des eaux rendant obligatoire l'élimination d'au moins 80% des micropolluants en sortie de station d'épuration, de nombreux projets pilotes ont été mis en place pour tester les techniques d'élimination des micropolluants.

Deux méthodes de traitement ont été retenues:

• l'application de carbone actif en poudre (CAP) avec filtration subséquente
• l'ozonation continue des eaux usées traitées à la sortie du traitement par voie biologie

Un dosage de CAP d'environ 18 mg/l ou une ozonation de 0.6 à 1.0 g O₃/g DOC sont nécessaires pour l'élimination des micropolluants^[9].

Articles connexes

• assainissement non collectif
• aérobie
• anoxie
• boue activée
• épuration des eaux
• eaux grises
• eaux usées
• eaux vannes
• fosse septique
• station d’épuration

Notes et références

Bibliographie indicative

• Bourgeois-Gavardin, J, Les Boues de Paris sous l'Ancien Régime. Contribution à l'histoire du nettoiement urbain au XVIIe et XVIIIe siècles, 2 volumes. Paris : EHESS, 1985.
• CABRIT-LECLERC Sandrine, (2008). Fosse septique, roseaux, bambous, traiter écologiquement ses eaux usées ?, Editions Terre Vivante.
• Chatzis, K, La Pluie, le métro et l’ingénieur : contribution à l’histoire de l’assainissement et des transports urbains, Paris : L’Harmattan, 2000.
• Dupavillon, C, Paris côté Seine, Paris : Éditions du Seuil, 2001.
• Dupuy, G. Knaebel, G, Assainir la ville hier et aujourd’hui, Paris, Dunod : 1982.
• Guide technique de l’assainissement. Moniteur Référence Technique. LE MONITEUR. 680 p., (1999).
• Goubert, J.-P, La Conquête de l'eau, Paris : Robert LAFFONT, 1986.
• Guillerme, A, Les Temps de l’eau. La cité, l’eau et les techniques, Seyssel : Champ Vallon, 1983.
• L’assainissement des grandes villes. Données 1997. Réseau national des Données sur l’Eau (RNDAE), (1998).
• Laroulandie, F, Les égouts de Paris au XIXe siècle. L’enfer vaincu et l’utopie dépassée, Cahiers de Fontenay. N°69-70, mars 1993. P. 107-140.
• Questions d’assainissement. Le maire et les eaux usées. Uni éditions. 96 p., (1996).
• Anne Rivière, (2005). Gestion écologique de l’eau : toilettes sèches et épuration des eaux des eaux de lavage par les bassins-filtres à plantes aquatiques, Volume 1, Association Eau Vivante.
• Revue scientifique Sciences, Eaux et territoires : Recherche et Ingénierie au service des acteurs de l'assainissement. Avancées et perspectives.
• Scherrer, F, L’Égout, patrimoine urbain. L’évolution dans la longue durée du réseau d’assainissement de Lyon. Thèse de doctorat d’urbanisme, Créteil : Université de Paris XII – Val de Marne, 1992.

Voir aussi

• La coagulation-floculation
• La flottation
• Le flottateur

Articles connexes

• Épuration des eaux
• Boues d'épuration
• Traitement primaire
• Pollution de l'eau
• Recyclage des eaux usées
• Observatoire de l'eau

Liens externes

• Système écologique, mini station de traitement des eaux grises, eaux usées, écologique
• UV pour eaux usées : photos de stérilisateurs UV pour traitement tertiaire.
• Le charbon actif dans le traitement des eaux résiduaires
• Le Retraitement des Eaux Usées : comparaison de différentes techniques de traitement des eaux usées
• Assainissement des eaux usées
• La nature aide au traitement des eaux usées

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