Traitement des eaux usées

Les différents traitements sont :

Traitement des composés organiques 

Le traitement biologique le plus simple consiste à éliminer les composés organiques tels que sucres, graisses et protéines. 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 cinq jours) ou la demande chimique en oxygène (DCO). 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[7]. 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.

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.

Pour limiter l'écotoxicité des rejets d'eaux usées un 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. Les sources géologiques de phosphores ayant été surexploitées sa récupération commence aussi à être un enjeu économique et industriel.

Cinq types de traitement sont possibles :

1. traitement physique : des filtres ou membranes retirent le phosphore de l'eau ;
2. traitement chimique : des sels forment des précipités insolubles récupérables (au fond du bassin) ; des composés chimiques à base de calcium ou de fer peuvent être utilisés. Cette méthode reste assez coûteuse et peut accroître le volume de boue à traiter et la consommation d'oxygène ;
3. traitement physique et chimique
4. Traitement biologique du phosphore : Il se développe depuis les années 1980[8] : l'EBPR (enhanced biologial phosphorous removal) qui consiste à l'accumulation de phosphore par des micro-organismes, sous forme de polyphosphate par exemple.
   Dans une configuration anaérobie - aérobie, les bactéries Acinetobacter spp. peuvent bioaccumuler le phosphore et pour cette raison aussi désignée par l'acronyme « PAO » (phosphorous accumulating organisms). Ce système élève légèrement le coût d'investissement, mais est favorable à l'environnement et rentable à long terme, d'autant que la raréfaction du phosphore pourrait augmenter sa valeur financière.
   La compréhension de ce processus biologique doit être poursuivie 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 répandue, qualitative et semi-quantitative pour l'évaluation de la communauté microbienne[9]^,[10] ;
   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 en conditions de potentiel redox très bas, surassimilent le phosphore par rapport à leur besoin. Les bactéries peuvent ensuite 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.
5. traitements mixtes : Les traitement ci-dessus présentés ne permettent pas généralement à eux-seuls d'atteindre les niveaux de rejet exigés en sortie de station. Un traitement biologique est donc souvent associé à un traitement physico-chimique (presque toujours par précipitation du phosphore avec des sels métalliques (chlorure ferrique)

La recherche de moyens plus efficients et des meilleures conditions de milieux (concentration idéale, taux de gaz dissous, température, pH, etc.) se poursuit avec par exemple la possibilité d'étudier l'adsorption sur des biopolymères, biomatériaux, matériaux bioinspirés... dont sous forme d'hydrogels tels que l'hydrogel de chitosane en microbilles[11]^,[12].

En sortie des clarificateurs, une décantation supplémentaire est parfois utilisée. Il s'agit de décantations par floculation grâce à l'injection de polymères ou de sels coagulants. Des filtres sont également couramment employés pour différents niveaux de filtration (micro, ultra ou nano)[14].

Certains types de traitements tertiaires ciblent l'élimination plus poussée de l'azote ou du phosphore[14].

La pollution azotée se trouve sous formes de :

• L'azote organique (N), provenant surtout des déjections animales et humaines et des rejets d'industries agro-alimentaires[15] ;
• L'azote ammoniacal (NH₄⁺), qui provient de rejets industriels (chimie en particulier) ou bien de la transformation par des processus biochimiques naturels de l'azote organique des eaux usées domestiques[15].

L'élimination du phosphore (la déphosphatation) se fait soit par un procédé chimique, soit par un procédé biologique[16] :

• La déphosphatation chimique est réalisée au moyen de réactifs : sels de fer et d'aluminium, et qui donnent naissance à des précipités ou complexes insolubles séparés de l'eau par des techniques de séparation de phase solide-liquide.
• La déphosphatation biologique repose sur le transfert du phosphore de la phase liquide (eaux usées à épurer) vers la phase solide (boues) par stockage intracellulaire; la boue s'enrichit progressivement en phosphore jusqu'à des teneurs très importantes. Il est alors très aisé d'assurer l'élimination du phosphore par simple soutirage des boues en excès.

Cette étape permet de réduire le nombre de bactéries, donc de germes pathogènes présents dans l'eau traitée. Elle peut être demandée dans le cadre d'un schéma d'aménagement et de gestion des eaux et/ou pour protéger des eaux de baignade (en eau douce ou en mer), un captage d'eau potable ou une zone conchylicole, une zone vulnérable aux nitrates, au phosphore et à l'eutrophisation. Ce traitement peut être réalisé en traitement tertiaire par chloration, ozonation, traitement UV ou pour des petites capacités de station d'épuration par une filtration sur sable (sable siliceux et de granulométrie spécifique). Un lagunage tertiaire de l'effluent en zones de rejet végétalisé (ZRV) n'est pas encore en France réglementairement reconnu comme élément de l'épuration (au sens de l’arrêté du 21 juillet 2015) mais des travaux d'évaluation de leurs performances en termes d'abattement bactérien ou de certains micropolluants sont à l'étude[17]. Dans Ces zones les UV solaires et l'écosystème peuvent contribuer à diminuer le nombre de bactéries pathogènes encore présentes dans le flux[18].
La désinfection est peu utilisée en France en sortie de station d'épuration car l'eau manque rarement dans ce pays, et la réglementation française ne l'encourage pas, les eaux usées épurées ne faisant pas l'objet de France de réutilisation immédiate en agriculture ou pour l'eau potable.
Dans le monde en 2017, il y aurait environ 7 milliards de m³ d’eaux usées traitées réutilisées ; la France ne comptant que pour 0,1 % de ce volume soit 50 fois moins qu’en Espagne, Italie ou Israël, selon Juan Ochoa (pôle expertise et innovation de Veolia Eau)[17].

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.

Le traitement tertiaire inclut un ou plusieurs des processus suivants :

• désinfection par le chlore ou l'ozone (pour éliminer les germes pathogènes), sachant que le désinfectant le très puissant est l'ozone [19],parce qu'il est capable de désactiver les organismes protozoaires; qui peuvent causer un grand nombre d'épidémie.
• 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.

Des systèmes de lagunages naturels (éventuellement tertiaires, c'est-à-dire uniquement installés en sortie de station d'épuration) permettent d'épurer une pollution organique et éventuellement d'affiner le traitement avant rejet dans le milieu naturel[20]^,[21].

Quand la place manque pour un lagunage, des systèmes verticaux et adaptés à de relativement petites quantités d'eaux sales de types Freewaterbox (développé en France par Ennesys) combinent un digesteur bactérien et un photobioréacteur algal contenant des cultures de micro-algues sélectionnées pour épurer des eaux grises et produire des composés organiques d'intérêt (biostimulants) dans une approche d'économie circulaire[22].

Les procédés de traitement listés ci-dessus ne permettent pas d'éliminer les micropolluants des eaux traitées. On désigne 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[23].

En Suisse, à la suite de 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[24].

Deux méthodes de traitement ont été retenues :

• le contact avec du charbon actif : mis en œuvre sous forme de charbon actif en poudre (CAP), en grain (CAG) ou en micrograin (µ-CAG) ;
• l'ozonation continue des eaux usées traitées à la sortie du traitement par voie biologique.

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[25]. L'ozonation présente le désavantage d'engendrer des produits d'oxydation parfois indésirables tels que le bromate. Les possibles concentrations résultantes de l'ozonation dépendent des propriétés de l'eau traitée[26].

Il est le plus souvent dû à des bactéries indésirables, qui provoquent une phénomène dit de gonflement des boues. Ceci est causé par le foisonnement de certaines espèces de bactéries, dont Microthrix parvicella le plus souvent, suite à des arrivées trop brusques de surcharges en matières organiques et/ou en eau pluviales et de ruissellement, ou encore suite à l'arrivée de composants inhibant la reproduction ou la vie des autres bactéries.
Le fonctionnement d'une station d'épuration classique à boues activées repose sur le principe de la production d'une boue résiduelle et de la décantation. Selon une enquête ayant concerné 370 stations d'épuration à boues activées faible charge, dans les années 2010, les problèmes de décantation sont encore « une problématique majeure pour 30 % des installations de taille inférieure à 250 000 EH et pour 50 % de celles en traitant plus. Au moins un dysfonctionnement sur trois serait dû à un développement excessif de bactéries filamenteuses[27] » (phénomène de gonflement des boues). « Un taux de charge organique élevé a été identifié comme l'un des facteurs favorisant les dysfonctionnements[27] ». L'adjonction de sels métalliques pour la déphosphoration des eaux usées contribue à limiter l’occurrence de ces dysfonctionnements[27].

Les opérateurs peinent parfois en effet à trouver des débouchés à des boues polluées, qu'il faut alors mettre en décharge ou faire incinérer.

Parmi les problèmes rencontrés lors de la dépollution de l'eau figurent les mauvaises odeurs provenant des boues, des postes de relevage, qui sont considérées comme une gêne pénalisante pour les riverains.

Pour limiter ces nuisances olfactives, il existe trois types différents de traitement : physico-chimique, biologique et par adsorption sur charbon actif[28].

• Dans le traitement physico-chimique, un système de lavages chimiques successifs permet d'avoir un rendement épuratoire supérieur à 99 %. Il est basé sur le transfert des molécules gazeuses odorantes en solution aqueuse. Les tours sont garnies de matériau inerte arrosé avec une solution chimique, ce qui favorise le contact gaz-liquide[29].
• Dans le traitement biologique, la biofiltration est opérée lorsque les molécules odorantes sont dégradées durant leur transfert au travers d'un filtre biologique sur lequel sont fixées des bactéries. Pour réaliser ce procédé, il est nécessaire de développer une teneur optimale en humidité, d'un apport en nutriments et en oligo-éléments. La pouzzolane permet de filtrer les nutritifs, qui sous l'action de l'acidité produite par l'oxydation de l'hydrogène sulfuré, libère de l'azote, du phosphore et des oligo-éléments. Un arrosage régulier permet des conditions de vie optimales des micro-organismes et assure l'évacuation des sous-produits d'oxydation, rendant le système optimal dans sa fonctionnalité[30].

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