Traitement avancé des eaux usées et de l'eau : Technologies durables pour une eau propre

Technologies de traitement des eaux usées et de l'eau

Longtemps considérée comme une ressource bon marché et abondante, l'eau était un utility de production que l'industrie sidérurgique tenait pour acquis. Aujourd'hui, les ressources en eau deviennent de plus en plus rares en raison du déséquilibre croissant entre la disponibilité en eau douce et la consommation. L'accès à une eau propre et sûre est devenu l'un des défis majeurs de la société moderne.

La demande en eau ne cesse d'augmenter en raison de : (i) l'augmentation de la population et la migration vers des régions sujettes à la sécheresse, (ii) le développement industriel rapide et l'augmentation de la consommation d'eau par habitant, et (iii) le changement climatique entraînant la modification des régimes pluviométriques dans les zones peuplées. L'industrie sidérurgique entre ainsi dans une nouvelle ère de contrainte hydrique. Par ailleurs, au cours des trois dernières décennies, les préoccupations concernant la pollution environnementale se sont intensifiées dans le monde entier, conduisant à la promulgation de réglementations environnementales plus strictes.

Consommation d'eau dans l'industrie sidérurgique

L'industrie sidérurgique utilise d'énormes quantités d'eau douce pour divers usages : refroidissement, suppression des poussières, nettoyage, contrôle de la température (traitement thermique), transport de matériaux résiduels (cendres, boues, calamines), et autres. L'eau est une composante essentielle de certains procédés sidérurgiques, tels que l'ajout d'eau pour contrôler l'humidité du mélange de coke, le pelleting du mélange de sinter, la fabrication de pellets verts lors de la production de pellets de minerai de fer, la production de vapeur et donc d'énergie, et la granulation des scories de haut fourneau. L'utilisation de grandes quantités d'eau génère également des volumes considérables d'eaux usées qui doivent être évacuées. Les rejets d'eaux usées de l'industrie sidérurgique sont reconnus comme l'un des facteurs de pollution aquatique. Les eaux usées générées dans les procédés de l'usine sidérurgique contiennent de nombreuses substances dissoutes et non dissoutes ainsi que des produits chimiques.

Les utilisations principales de l'eau de procédé par les installations sidérurgiques comprennent le refroidissement et le nettoyage des gaz de procédé, le refroidissement direct du coke et des scories, le refroidissement et le nettoyage direct de l'acier, le rinçage des produits, la préparation des solutions de procédé, et le refroidissement direct des équipements de procédé. La majeure partie de l'eau utilisée par l'usine sidérurgique sert au refroidissement sans contact des équipements de traitement. L'eau est également utilisée pour la production de vapeur et d'énergie.

Classification des eaux usées

Les eaux usées de procédé sont définies comme toutes les eaux usées entrant en contact direct avec le procédé, le produit, les sous-produits ou les matières premières pour la production de fer et d'acier. Elles incluent également les eaux usées provenant du trempage des scories, du nettoyage des équipements, des dispositifs de contrôle de la pollution atmosphérique, des eaux de rinçage, et des eaux de refroidissement contaminées. Les eaux usées sanitaires et les eaux pluviales ne sont pas considérées comme des eaux usées de procédé.

Les eaux usées de refroidissement sans contact sont des eaux de refroidissement qui ne contactent pas directement le procédé, les produits, les sous-produits ou les matières premières. Elles ne sont pas considérées comme des eaux usées de procédé.

Les eaux usées non-procédé sont celles générées par des opérations non-procédé : eaux usées d'utilité (résidus de traitement d'eau, purges de chaudière, eaux usées de contrôle de la pollution atmosphérique provenant d'équipements de récupération de chaleur, eaux issues d'installations de cogénération), eaux usées traitées ou non traitées provenant de systèmes de réhabilitation des eaux souterraines, eaux de déwatering pour fondations de bâtiments, et autres flux d'eaux usées non associés aux processus de production.

Un rejet d'eaux usées désigne le déversement d'eaux usées traitées ou non traitées dans un cours d'eau récepteur. Un rejet peut provenir d'une station de traitement ou d'un débordement dans le système de collecte. Le rejet d'eaux usées non traitées peut créer plusieurs conditions indésirables : (i) appauvrissement en oxygène et production d'odeurs dans le cours d'eau, (ii) effets négatifs sur la santé humaine dus à la présence de microorganismes pathogènes, (iii) accumulations de boues et d'écumes, (iv) eutrophisation des plans d'eau due à la croissance de plantes aquatiques et d'algues (les eaux usées pouvant contenir des nutriments), et (v) production de grandes quantités de gaz malodorants par décomposition des composés organiques. Ce rejet contribue à la pollution des plans d'eau s'il n'est pas correctement traité et rendu inoffensif avant le déversement. Le traitement des eaux usées est donc impératif avant leur sortie de l'usine et leur déversement dans les milieux naturels.

Contaminants typiques dans les eaux usées

L'eau pure est composée de 2 parties d'hydrogène pour 1 partie d'oxygène. Dans la nature, l'eau contient de nombreuses impuretés dissoutes. On la qualifie de « solvant universel » en raison de sa capacité à dissoudre de nombreuses substances. Même l'eau distillée et l'eau de pluie ne sont pas « complètement » pures, car elles contiennent normalement de très faibles niveaux de substances dissoutes comme l'ammoniac, considérées comme des impuretés.

L'eau brute domestique non traitée a une odeur de moisi, un pH entre 6,5 et 8, et une couleur gris-brun. Les contaminants généralement présents dans l'eau non traitée se classent en quatre catégories : (i) contaminants organiques, (ii) contaminants inorganiques, (iii) pathogènes, et (iv) autres contaminants.

• Solides – Les solides totaux dans les eaux usées peuvent être sous forme de solides dissous ou en suspension. Les solides en suspension peuvent être colloïdaux (non décantables) ou décantables. Les matières en suspension (MES) entraînent le développement de dépôts de boues et de conditions anaérobies lors du rejet d'eaux usées non traitées en milieu aquatique. Les matières en suspension totales (MEST) incluent toutes les particules passant à travers un filtre. À mesure que les MEST augmentent, un plan d'eau perd sa capacité à supporter une vie aquatique diversifiée. Les solides en suspension absorbent la chaleur du soleil, augmentant la température de l'eau et diminuant par conséquent le niveau d'oxygène dissous. Certains solides peuvent être flottants, généralement composés de particules d'huile ou de graisse formant l'écume, facile à éliminer par écrémage de surface.
• Organiques biodégradables – Composés principalement de protéines, glucides et graisses. Mesurés en DBO (demande biochimique en oxygène) et DCO (demande chimique en oxygène). La DBO mesure la quantité d'oxygène nécessaire aux bactéries pour oxyder la matière organique sur 5 jours à 20°C. La DCO mesure tout le carbone organique, à l'exception de certains aromatiques (benzène, toluène, phénol) non complètement oxydés. Des DBO et DCO élevées contribuent à de faibles concentrations d'oxygène dans les plans d'eau, impactant défavorablement la vie aquatique. La stabilisation biologique des organiques biodégradables peut épuiser les ressources naturelles en oxygène et créer des conditions septiques si elles sont rejetées sans traitement.
• Pathogènes – Microorganismes causant ou pouvant causer des maladies. Les maladies transmissibles peuvent être transmises par les organismes pathogènes dans les eaux usées.
• Nutriments – L'azote et le phosphore, avec le carbone, sont essentiels à la croissance. Rejetés en milieu aquatique, ils favorisent la croissance de vie aquatique indésirable. En quantités excessives sur terre, ils peuvent polluer les eaux souterraines.
• Polluants critiques – Composés organiques et inorganiques aux caractéristiques cancérigènes, mutagènes ou de toxicité aiguë élevée. Leur présence doit être minimisée pour la santé publique et pour protéger les procédés de traitement biologique.
• Organiques réfractaires – Résistent aux méthodes conventionnelles de traitement. Exemples : tensioactifs, phénols, pesticides agricoles. Certains peuvent être toxiques pour les procédés de traitement biologique.
• Métaux lourds – Présents dans les eaux usées des diverses unités de l'usine sidérurgique. Doivent être éliminés si l'eau est déversée dans un plan d'eau utilisé comme source d'eau potable. Leur présence peut également impacter le recyclage des biosolides (boues stabilisées) sur les terres agricoles.
• Inorganiques dissous – Constituants comme le calcium, le sodium, le sulfate peuvent être présents. Doivent être éliminés pour une eau potable.
• Produits chimiques dissous – Large gamme selon le procédé. Nécessitent une évaluation minutieuse du type de contaminant, concentration, débit, et biodégradabilité. Une concentration de 1 mg/L peut colorer l'eau, affectant la qualité esthétique et la transparence, et impactant la photosynthèse. Acides et bases créent des pH extrêmes. Certains produits chimiques sont difficiles à dégrader par les traitements conventionnels.

Les contaminants organiques dérivés de composés chimiques contenant du carbone peuvent être biodégradables (consommés par bactéries et microorganismes), exerçant une demande en oxygène mesurée par la DBO. Certains organiques (réfractaires) résistent à la biodégradation. Les contaminants inorganiques ne sont pas biodégradables mais peuvent être des nutriments pour les microorganismes. Ce sont généralement des composés chimiques (polluants critiques) ou des métaux présents sous forme de solides en suspension ou d'inorganiques dissous.

Les pathogènes (bactéries, virus) peuvent être déposés dans les eaux usées par des déchets humains ou animaux, ou par des déchets hospitaliers mal gérés. L'hygiène est primordiale lors du travail autour des eaux usées. D'autres impuretés peuvent être des déchets thermiques. Les rejets d'eaux usées avec déchets thermiques peuvent provoquer une augmentation soudaine du débit et de la température. Source typique : eau de refroidissement sans contact (eau chauffée dépassant la température du cours d'eau). Selon l'usage du cours d'eau, des limites de température peuvent être fixées pour éviter l'impact sur l'écosystème. Les déchets radioactifs peuvent provenir de laboratoires et d'instruments utilisant des sources radioactives. Il est de bonne pratique de ne pas autoriser leur rejet dans un système d'égout.

Objectifs du traitement de l'eau

Les divers procédés de traitement de l'eau ont trois objectifs principaux : (i) conférer et préserver les qualités physiques, chimiques et biologiques intrinsèques de l'eau de la source d'alimentation pour la rendre adaptée à des usages spécifiques (eau potable, procédés productifs), (ii) permettre le traitement des eaux usées protégeant le public des risques sanitaires sans endommager l'environnement, et (iii) conférer et préserver les caractéristiques de l'eau dans son milieu naturel nécessaires à la conservation et au développement de la vie et de la végétation aquatiques, à l'approvisionnement en eau potable pour le bétail et la faune sauvage, ou à des fins récréatives et esthétiques.

Le traitement de l'eau ou des eaux usées repose sur un certain nombre d'opérations unitaires combinées pour former un procédé, souvent appelé schéma de traitement. Ces opérations unitaires sont basées sur une gamme relativement restreinte de principes régisseurs. Les mêmes mécanismes sous-jacents s'appliquent qu'il s'agisse d'eau souterraine, de lacs, réservoirs, rivières ou de mer à purifier pour la boisson, ou d'eaux usées (égouts ou effluents industriels) à épurer pour un rejet sûr dans l'environnement.

Limites des technologies conventionnelles et besoin d'innovation

Les technologies conventionnelles de traitement des eaux usées améliorent la qualité des rejets dans l'environnement et empêchent les eaux polluées de contaminer d'autres ressources en eau propre. Cependant, elles ne rendent pas les eaux usées aptes à d'autres usages bénéfiques dans les communautés proches des points de génération. Des technologies innovantes et avancées, capables d'améliorer davantage la qualité des eaux usées, sont nécessaires pour surmonter cette limitation et promouvoir l'adoption généralisée des pratiques de recyclage et de réutilisation.

Procédés de traitement avancés

Les procédés de traitement avancés peuvent être des procédés biologiques, physico-chimiques, ou une combinaison des deux (procédés hybrides). Les procédés biologiques pour éliminer les polluants nutritifs (azote, phosphore) fournissent la plateforme pour un traitement ultérieur jusqu'à une qualité réutilisable. Les procédés physico-chimiques (filtration sur lit profond, filtration sur média flottant, filtration membranaire) jouent un rôle majeur parmi les technologies de réutilisation de l'eau. La filtration membranaire présente des avantages significatifs : elle produit un effluent de haute qualité nécessitant peu ou pas de désinfection, avec une génération minimale de boues. Les procédés hybrides cherchent à combiner les avantages des procédés biologiques et physico-chimiques en une seule étape.

Puisque la récupération des eaux usées et l'introduction de procédés pour purifier et rendre l'eau potable complètent normalement l'objectif initial de protection de l'environnement, ces divers procédés sont considérés comme appartenant au même domaine. Les technologies de traitement de l'eau peuvent être classées en quatre grandes catégories : (i) méthodes physiques, (ii) méthodes chimiques, (iii) méthodes biologiques, et (iv) méthodes énergivores.

Méthodes physiques

Les procédés physiques éliminent les solides des eaux usées lors de leur passage à travers des tamis ou médias filtrants, ou par décantation gravitaire ou flottation par air. Les particules piégées avec l'air flottent en surface et peuvent être éliminées. Les méthodes physiques représentent un ensemble de technologies largement assimilables à des techniques de séparation solide-liquide, dont la filtration joue un rôle dominant. La technologie de filtration se divise en deux catégories générales : conventionnelle et non conventionnelle. Elle est un composant intégral des applications de traitement d'eau potable et d'eaux usées, mais n'est qu'un procédé unitaire au sein d'un schéma moderne de station de traitement, offrant une multitude d'options d'équipements et de technologies selon les objectifs finaux de traitement. Pour comprendre le rôle de la filtration, il est important de la distinguer non seulement des autres technologies employées dans le nettoyage et la purification des eaux usées, mais aussi des objectifs des différents procédés unitaires.

Méthodes chimiques

Des produits chimiques sont utilisés dans le traitement des eaux usées pour créer des changements dans les polluants augmentant leur capacité à être éliminés. Ces changements peuvent inclure la formation de flocs ou de masses particulaires plus lourdes pour améliorer l'élimination par des procédés physiques. Les méthodes chimiques reposent sur les interactions chimiques des contaminants à éliminer. L'application de produits chimiques aide soit à la séparation des contaminants de l'eau, soit à la destruction ou la neutralisation des effets nocifs associés aux contaminants. Les méthodes de traitement chimique sont appliquées tant comme technologies autonomes que comme partie intégrante du processus de traitement avec les méthodes physiques. Normalement, l'ajout de produits chimiques et les procédés physiques sont employés ensemble pour assurer le traitement.

Procédés de traitement biologique

Les procédés de traitement biologique sont des systèmes utilisant des microorganismes pour dégrader les contaminants organiques des eaux usées. Dans le traitement des eaux usées, les processus naturels de biodégradation ont été contenus et accélérés dans des systèmes pour éliminer la matière organique et les nutriments. Les microorganismes métabolisent les nutriments, colloïdes et matières organiques dissoutes, produisant des eaux usées traitées. La croissance microbienne excédentaire est éliminée des eaux usées traitées par des procédés physiques. Les procédés biologiques sont la voie de traitement privilégiée car ils sont rentables en termes de consommation d'énergie et d'utilisation de produits chimiques.

Technologies énergivores

Parmi les technologies énergivores, les méthodes thermiques ont un double rôle dans les applications de traitement de l'eau. Elles peuvent être appliquées comme moyen de stérilisation, fournissant ainsi une eau potable de haute qualité, et/ou pour le traitement des déchets solides ou boues générés par les applications de traitement de l'eau. Dans ce dernier cas, les méthodes thermiques peuvent être appliquées essentiellement de la même manière que pour le conditionnement de l'eau : stérilisation des boues contaminées par des contaminants organiques, et/ou réduction de volume. La réduction de volume est une étape clé car il y a un compromis final entre eau polluée et déchets solides dangereux. Les technologies énergivores incluent les techniques électrochimiques, largement appliquées aux applications d'eau potable. Elles représentent à la fois la stérilisation et le conditionnement de l'eau pour atteindre une qualité gustative.

Ces quatre groupes technologiques peuvent être combinés dans le traitement de l'eau, ou utilisés en combinaisons sélectionnées selon les objectifs. Au sein de chaque classe technologique générale, il existe une gamme de matériel et de technologies individuelles sélectionnables. Le choix non seulement du procédé unitaire et du matériel appropriés au sein de chaque groupe, mais aussi des combinaisons optimales de matériel et de procédés unitaires de ces quatre groupes dépend de facteurs tels que : (i) les exigences de propreté de l'effluent final, (ii) les quantités et qualités de l'eau d'effluent à traiter, (iii) les propriétés physiques et chimiques des polluants à éliminer ou neutraliser, (iv) les propriétés physiques, chimiques et thermodynamiques des déchets solides générés, et (v) le coût du traitement de l'eau, y compris le traitement, le traitement et l'élimination des déchets solides.

Stratégies de traitement des eaux usées sidérurgiques

Le traitement des eaux usées de l'industrie sidérurgique nécessite une variété de stratégies pour éliminer différents types de contaminants : (i) élimination des solides, (ii) élimination des huiles et graisses, (iii) élimination des organiques biodégradables, (iv) procédé à boues activées, (v) procédé à filtre ruisselant, (vi) traitement des matériaux toxiques, (vii) traitement des acides et bases, et (viii) traitement d'autres organiques. Les unités de traitement des eaux usées dans une usine sidérurgique sont également appelées stations de traitement des effluents (STE).

Objectifs et exigences d'une STE

Les objectifs de la STE sont : (i) assurer le rejet d'une eau de bonne qualité dans l'environnement naturel, (ii) éliminer les polluants le plus efficacement possible et au coût le plus bas, (iii) éviter et/ou minimiser d'autres impacts environnementaux (création d'odeurs, émissions de gaz, production de bruit, élimination des solides), (iv) produire de l'eau traitée pour la réutilisation et le recyclage, et (v) récupérer les sels si économiquement viable.

Lors de la planification d'une STE, les exigences à considérer sont : (i) qualité d'effluent sortant souhaitée ou exigences de permis pour se conformer aux directives nationales, étatiques, locales et/ou organisationnelles, (ii) volume d'effluent nécessitant un traitement, (iii) capacité de l'atelier de production, (iv) complexité de la technologie, facilité d'exploitation, adaptabilité, fiabilité, robustesse, et besoins énergétiques, (v) coûts d'investissement et d'exploitation, (vi) surface foncière disponible, et (vii) masse de boues générées et exigences d'élimination.

Le traitement des eaux usées produites par les divers ateliers de l'usine sidérurgique a normalement lieu dans une STE construite à cet effet dans la zone de production. Le traitement confère aux eaux usées des caractéristiques permettant leur rejet sûr dans les cours d'eau ou leur recyclage total ou partiel vers le procédé.

Selon leurs caractéristiques, les eaux usées des divers procédés de l'usine sidérurgique sont soumises à différentes options de traitement. Différentes combinaisons de procédés physiques, chimiques, biologiques et énergivores sont utilisées pour l'élimination des solides, de la matière organique, et parfois des nutriments.

Niveaux de traitement des eaux usées

Les procédés de traitement des eaux usées (Fig 1) de l'usine sidérurgique se divisent en les mêmes quatre groupes décrits précédemment. Le traitement s'effectue à quatre niveaux : préliminaire, primaire, secondaire et tertiaire. Ces niveaux décrivent les différents degrés de traitement.

Fig 1 Processus de traitement des eaux usées

Traitement préliminaire

L'objectif du traitement préliminaire est l'élimination des matériaux pouvant causer des blocages, le colmatage des équipements en aval et l'abrasion des équipements. Il est normalement effectué avant l'envoi des eaux usées à la STE pour en améliorer la performance. On y élimine les solides grossiers et autres gros matériaux. Cette élimination est essentielle pour améliorer l'efficacité opérationnelle et de maintenance des unités de traitement ultérieures. Plusieurs procédés unitaires sont utilisés : (i) contrôle des odeurs, et (ii) opérations de pré-aération, broyage des solides grossiers, élimination des gros matériaux par tamis et grilles. Souvent, l'élimination des huiles et graisses ainsi que la correction du pH y sont également réalisées.

Traitement primaire

C'est la première étape du traitement des eaux usées (ou la deuxième après le traitement préliminaire). Le traitement primaire suit le préliminaire et implique un traitement physico-chimique pour corriger le pH de conditions alcalines vers un pH proche de la neutralité, et la décantation physique des solides en suspension dans des décanteurs primaires pour réduire la charge en DBO et MES sur les procédés en aval. Globalement, l'adoption d'unités de clarification primaire représente moins de problèmes pour l'exploitation du procédé biologique en aval : moindre quantité d'huiles, graisses et accumulation de biomasse dans le réacteur biologique, minimisant les décantations possibles dans le bassin et réduisant la tendance au « gonflement non filamentaire » de la biomasse de boues activées.

Les objectifs du traitement primaire sont l'élimination des solides organiques et inorganiques décantables par sédimentation et l'élimination des matériaux flottants par écrémage. Lors du traitement primaire, on élimine normalement environ 35 à 55 % de la DBO totale entrante, 55 à 75 % des MES totales, et 70 % des huiles et graisses. Certaines quantités de phosphore organique, d'azote organique et de métaux lourds associés aux solides sont éliminées lors de la sédimentation primaire, mais les constituants colloïdaux et dissous ne sont pas affectés.

La séparation physique des solides en suspension des eaux usées à l'aide de décanteurs primaires est réalisée. Les MEST et les niveaux de DBO associés sont réduits, préparant les déchets pour l'étape suivante. L'élimination des solides organiques et inorganiques décantables par sédimentation et l'écrémage des matériaux est l'objectif principal.

Le traitement primaire implique divers procédés physico-chimiques et assure une performance satisfaisante des procédés de traitement ultérieurs. Le principal procédé utilisé est la sédimentation, tandis que les procédés auxiliaires sont le tamisage fin, la floculation et la flottation. La floculation est normalement précédée d'un traitement chimique généralement à la chaux, à l'alun ou à un produit chimique exclusif. Le but principal est d'éliminer les métaux par précipitation et d'éliminer une partie de la DBO colloïdale pour générer des boues chimiques. Le traitement primaire applique des procédés de coagulation-floculation pour améliorer la séparation des solides.

Floculation

C'est un procédé physico-chimique favorisant l'agrégation de matières colloïdales visqueuses et de matières en suspension finement divisées par mélange physique et adjonction de coagulant chimique. Ce procédé comprend un bassin de mélange rapide et un bassin de floculation. Le flux d'eaux usées se mélange aux coagulants dans le bassin de mélange rapide, puis passe dans le bassin de floculation où un mélange lent permet aux particules de s'agglomérer en solides plus décantables et plus lourds. Un meilleur mélange est facilité par air diffus ou pagaies mécaniques. Les polymères organiques naturels, électrolytes inorganiques et polyélectrolytes synthétiques sont les différents types de produits chimiques utilisés pour la coagulation. Selon les caractéristiques et propriétés chimiques des contaminants, des produits chimiques spécifiques sont sélectionnés.

Sédimentation

Le but principal de la sédimentation primaire est de permettre la séparation des phases solide et liquide dans les eaux usées. Elle élimine les solides facilement décantables par gravité. Les solides sont principalement des organiques ainsi que des matériaux flottants (graisses, huiles). Les solides décantés sont appelés boues primaires. Le procédé réduit la teneur en MES de l'affluent. Bien que le volume de boues primaires ne représente qu'environ 2 % du volume total des eaux usées affluentes, il constitue environ 30 à 40 % de la charge organique reçue (exprimée en DCO) et 40 à 60 % de la charge en MES. Des baffles et écrémeurs d'huile pour éliminer les graisses et solides flottants sont inclus dans la chambre de sédimentation, ainsi que des racleurs mécaniques pour l'élimination des boues du fond.

L'efficacité de l'élimination des solides dépend des caractéristiques du bassin de sédimentation ou du décanteur. Un bassin de sédimentation comprend un baffle d'entrée pour la dissipation d'énergie, une zone calme pour la décantation des particules, des moyens mécaniques pour l'élimination des solides décantés, et une faible vitesse d'écoulement vers la sortie.

Les bassins de floculation et de sédimentation peuvent être rectangulaires, circulaires ou à plaques inclinées (Lamella), le choix étant basé sur les conditions locales du site, la surface disponible, et l'expérience de l'équipe de conception. Idéalement, deux bassins ou plus sont nécessaires. Les bassins rectangulaires et Lamella utilisent moins de surface que les bassins circulaires et sont utiles quand la disponibilité foncière est limitée.

Les bassins rectangulaires ont des écoulements droits pour augmenter la floculation (dans la sédimentation assistée chimiquement) et réduire le temps de rétention. L'eau entre par une extrémité, passe par un arrangement de baffles d'entrée et traverse la longueur du bassin jusqu'aux déversoirs et canaux d'effluent. Ils sont conçus avec un rapport longueur/largeur de 3:1 à 5:1 offrant une grande zone de décantation efficace, et une pente de fond de 1 %. Un racleur mécanique au fond déplace les boues décantées vers une zone de collecte, d'où elles sont pompées.

Dans les décanteurs circulaires (Fig 2), le schéma d'écoulement est radial. Pour l'obtenir, les eaux usées sont introduites dans la majorité des conceptions au centre, parfois en périphérie. Dans la conception centrale, les eaux usées sont transportées par un tuyau et un baffle central appelé « puits central » et s'écoulent radialement vers un déversoir parcourant la circonférence. Le puits central a un diamètre typiquement entre 15 et 25 % du diamètre total du bassin et une hauteur de 1 à 2,5 m. La zone de décantation calme doit être suffisamment grande pour répondre aux exigences de taux de surcharge et de profondeur pour la décantation discrète et floculente.

L'eau traitée est déversée sur des plaques de déversoir en V. Le fond est incliné pour faciliter la concentration et l'élimination des boues. Les boues sont éliminées par racleurs mécaniques. Le temps de rétention typique dans un bassin de sédimentation est de 2 à 3 heures. L'élimination des matières en suspension est de 45 à 55 %.

Fig 2 Schéma d'un bassin de sédimentation circulaire

Flottation à air dissous

Des bulles d'air sont utilisées pour faire remonter les particules en suspension jusqu'à la surface où elles peuvent être facilement collectées et éliminées. Les bulles d'air introduites s'attachent principalement aux particules pour les faire flotter. Les solides en suspension, huiles et graisses dispersées des eaux usées huileuses et d'autres effluents peuvent être éliminés par flottation à air dissous (FAD).

Pour l'élimination des huiles et graisses, la FAD est bien adaptée, surtout quand la gravité spécifique des solides en suspension est proche de 1,0. Le procédé FAD utilise de l'air sous pression pour libérer des microbulles d'air (10 à 50 micromètres de diamètre) qui s'attachent aux particules, facilitant la remontée des particules d'huile libre à la surface pour être écrémées. La FAD est très efficace pour l'élimination des huiles et graisses car l'huile ne se décante pas naturellement, ayant une gravité spécifique inférieure à celle de l'eau. Quand l'huile est présente sous forme émulsionnée, elle nécessite des produits chimiques pour déstabiliser la couche d'émulsion.

Le flux d'eau sous pression peut être la totalité de l'affluent, une partie de l'affluent, ou l'eau déjà traitée par le procédé (effluent). Cela donne trois types de procédés FAD : débit total, débit partiel ou débit recirculé. La Fig 3 montre un schéma du procédé FAD. L'application la plus courante pour le traitement des eaux usées est le système à débit recirculé, car il nécessite moins d'équipements pour la pressurisation (consommation d'énergie inférieure), évite les problèmes d'abrasion des pompes, et prévient la formation de colloïdes et d'émulsions dans le système de pompage.

Le procédé FAD peut réduire les concentrations d'huile à 10-25 mg/L tant que la concentration d'affluent ne dépasse pas 500 mg/L. La FAD fonctionne à des taux de charge hydraulique plus élevés que les systèmes de sédimentation gravitaire, avec des temps de rétention plus courts de 15 à 30 minutes, permettant une empreinte plus compacte. Les systèmes FAD sont disponibles en configurations circulaires ou rectangulaires.

Fig 3 Schéma du procédé de flottation à air dissous

Dans le bassin de rétention, les eaux usées sont mises sous pression et mises en contact avec l'air. L'eau sur-saturée et sous pression passe par une vanne de réduction de pression vers le fond du bassin de flottation. L'air sur-saturé commence à sortir de la solution sous forme de fines bulles lorsque la pression diminue. Les bulles d'air attachées aux particules en suspension et piégées dans les flocs de boues flottent à la surface ; ces flottants sont continuellement balayés de la surface et la boue est collectée au fond du bassin. L'efficacité d'élimination de l'huile par FAD peut être augmentée par l'ajout de certains coagulants.

Procédés de traitement chimique

Le traitement chimique peut être utilisé, de préférence avant le traitement biologique car il élimine les produits chimiques toxiques qui peuvent tuer les microorganismes, ou à tout stade du processus de traitement lorsque nécessaire.

Élimination des solides dissous

Les solides dissous peuvent être éliminés par plusieurs méthodes : (i) conversion en matières en suspension, généralement par produits chimiques pour précipiter le contaminant sous forme solide ou gazeuse, permettant leur élimination par séparation physique, (ii) adsorption sur un matériau solide, soit en suspension, soit fixé comme lit, tel que charbon actif en poudre ou granulaire, (iii) rejet par procédés à membranes denses, comme l'osmose inverse ou la nanofiltration, ou (iv) conversion en produits finaux relativement inoffensifs.

La conversion implique nécessairement la chimie ou la biochimie, la réaction chimique pouvant être soit réduction/oxydation (redox), soit non-redox. De nombreux procédés chimiques et biochimiques opèrent par oxydation, les produits finaux pour les polluants organiques étant normalement dioxyde de carbone, nitrate et eau. Exemples de réduction chimique : neutralisation de l'excès de chlore par bisulfite, ou réduction biochimique du nitrate en azote (dénitrification). Il existe aussi d'importants procédés chimiques non-redox, comme l'ajustement du pH ou la précipitation de sels de terres alcalines (carbonate de calcium, sulfate).

Neutralisation

Le pH des eaux usées non traitées varie largement et il n'est pas facile de les traiter avec une telle gamme de pH. Pour optimiser l'efficacité du traitement, la neutralisation ajuste la valeur du pH. Pour réduire le pH, on peut ajouter de l'acide sulfurique ou chlorhydrique ; pour l'augmenter, de la chaux déshydratée ou de l'hydroxyde de sodium. La neutralisation s'effectue normalement dans un bassin de mélange rapide ou un bassin d'égalisation. Pour contrôler le pH du rejet afin de respecter les normes, la neutralisation peut être réalisée en fin de traitement.

Précipitation

La précipitation s'effectue en deux étapes pour l'élimination des composés métalliques du flux d'eaux usées. Le mélange des précipitateurs avec les eaux usées et la formation de précipités métalliques insolubles est la première étape. L'élimination des métaux précipités par clarification et filtration est la deuxième étape, puis les boues résultantes sont traitées correctement, puis recyclées ou éliminées. Le paramètre important dans une précipitation chimique est le contrôle du pH.

La solubilité des hydroxydes métalliques augmente vers des pH plus élevés ou plus bas (nature amphotère). Ainsi, pour la précipitation d'hydroxyde de chaque métal, il existe une valeur optimale de pH. Comme il y a normalement plus d'un métal dans les eaux usées, il est difficile de sélectionner le produit chimique de traitement optimal et le contrôle du pH devient plus complexe, impliquant un compromis entre les meilleures éliminations possibles de deux ou plusieurs métaux. Chaux, hydroxyde de sodium, cendre de soude, sulfure de sodium et sulfate ferreux sont les différents produits chimiques utilisés. Le procédé pour l'élimination efficace de métaux comme l'antimoine, l'arsenic, le chrome, le cuivre, le plomb, le nickel et le zinc est normalement la précipitation d'hydroxyde ; pour le mercure, le plomb, le cuivre, l'argent, le cadmium, on utilise la précipitation de sulfure. La Fig 4 montre le diagramme de flux du procédé de traitement chimique pour l'élimination des métaux.

Fig 4 Diagramme de flux du procédé de traitement chimique pour l'élimination des métaux

Traitement secondaire

Le traitement secondaire implique la désintégration ou la décomposition des substances organiques en suspension et dissoutes présentes dans les eaux usées à l'aide de microorganismes. Le procédé à boues activées (PBA) et les méthodes de filtration biologique sont les principaux procédés de traitement biologique utilisés. Le procédé biologique principalement utilisé pour le traitement secondaire repose sur l'action microbiologique pour décomposer les eaux usées organiques en suspension et dissoutes. Les microbes peuvent utiliser les composés naturels comme source de carbone et d'énergie.

Pour l'élimination des polluants organiques, le procédé de traitement secondaire le plus efficace est le traitement biologique. Il utilise principalement les microbes naturellement présents dans les eaux usées pour dégrader les contaminants organiques. Certains composés inorganiques (ammoniac, cyanure, sulfure, sulfate, thiocyanate) sont également biodégradables biologiquement. Les procédés biologiques se classent en : (i) aérobies (microbes nécessitant de l'oxygène), (ii) anaérobies (microbes se développant sans oxygène, utilisant d'autres composés comme sulfate, phosphate ou organiques), et (iii) facultatifs (microbes pouvant se développer avec ou sans oxygène).

Les procédés aérobies consistent en un réacteur biologique avec une quantité contrôlée de biomasse et un clarificateur pour la séparation de la biomasse de l'effluent final. Ils nécessitent des apports énergétiques plus élevés et produisent plus de boues que les systèmes anaérobies. Exemple : pour 100 kg de charge DCO entrant dans une station aérobie, l'énergie nécessaire est de 100 kWh pour l'aération, produisant 30 à 60 kg de boues avec une charge DCO sortante de 2 à 10 kg. Dans une station anaérobie pour la même charge, la production de boues n'est que de 5 kg (6 à 12 fois moins), et produit 40 à 45 m³ de biogaz convertible en 382 kWh d'électricité. Cependant, la DCO de l'eau de sortie est deux fois celle de la station aérobie, donc de qualité inférieure.

Paramètres clés du traitement biologique

• Temps de rétention hydraulique (TRH) – Temps moyen dans le bassin d'aération (volume du bassin / débit moyen), exprimé en heures. Doit être suffisamment long pour éliminer la DBO requise, dépendant du type de système biologique (0,5 à 120 heures). Plus le TRH est bas, plus vite les eaux usées atteignent la sortie.
• Matières en suspension du mélange (MESM) – Niveau de MES, paramètre de contrôle crucial. Relié aux propriétés de décantation des boues, à la qualité de l'effluent, et au rapport nourriture/microorganismes. MESM représente les solides en suspension totaux (bactéries, biomasse morte, formes de vie supérieures), indépendamment de l'activité biologique. La portion organique est représentée par les « matières en suspension volatiles du mélange » (MESVM) représentant la biomasse. MESM est contrôlé par le taux de purge des boues. MESVM = 0,75 × MESM.
• Rapport nourriture/microorganismes (N/M) – Exprime la charge organique d'un procédé à boues activées. Facteur critique dans la conception et l'exploitation, surtout pour déterminer le volume du bassin d'aération. Gamme N/M : 0,5 à 1,5. Pour les stations conventionnelles, on vise 0,2 à 0,5. À charges N/M élevées (0,8 à 1,5), le taux de traitement augmente au détriment de la décantabilité des boues. À faibles charges (0,05 à 0,2), élimination lente de la DBO mais bonne décantabilité ; le système peut être facilement déstabilisé par un pic de charge organique.
• Âge des boues – Aussi appelé « temps de résidence cellulaire moyen » (TRCM) ou « temps de rétention des solides » (TRS). Calculé comme quantité totale de boues dans le bassin d'aération et le clarificateur divisée par les pertes quotidiennes de boues par purge et effluent. Peut varier de 0,5 jour à 75 jours dans les systèmes à faible taux de croissance. L'âge des boues indique les rapports N/M : temps courts = N/M élevés, temps longs = N/M faibles. Formule : âge des boues = masse des boues (bassin + clarificateur) / pertes quotidiennes de boues.

La qualité de l'âge des boues peut être déterminée au microscope (grossissement 100x). L'analyse microscopique quotidienne prévient les problèmes. Microorganismes importants : bactéries, champignons, algues, protozoaires, rotifères, vers. La présence d'organismes indicateurs de formes de vie supérieures corèle normalement à la performance de la station. Ils indiquent si les boues sont jeunes, moyennes ou vieilles. Boues à bonne décantation : présence de protozoaires (ciliés pédonculés, suctoriaires), couleur brun doré (stations d'épuration). Faible âge des boues : absence de ciliés pédonculés, prédominance de ciliés nageurs libres (paramécies) et forts pics de DBO par absence de formes de vie supérieures. Boues vieilles : présence de nombreux vers (nématodes) ou rotifères.

Autre indicateur utile : « indice de volume des boues » (IVB). Les boues sont versées dans un cylindre gradué de 1 L et le pourcentage de boues décantées est noté à intervalles de 5 minutes pendant 30 minutes. IVB en ml/g. Test de dépannage fiable. Valeurs IVB : 30 à 400 ml/g. En dessous de 150 = bonne décantation ; au-dessus = gonflement des boues.

Autres variables clés affectant le réacteur biologique :

• Besoin en oxygène – Nécessaire pour la décomposition de la matière organique. Concentration dépendant de la consommation de matière organique, de la demande de respiration endogène, et de la nitrification totale du NTK (azote de Kjeldahl total). Concentration typique dans le bassin d'aération : 2-4 mg/L. Valeurs plus élevées pour l'élimination de l'azote. Au-delà, gaspillage d'électricité.
• Production de boues (rendement en boues) – La dégradation de la biomasse produit des boues. Pour les systèmes industriels conventionnels, peut être aussi bas que 0,15 kg/kg DBO (ex: cokerie).
• Taux de recirculation des boues – Une partie des boues produites est recirculée pour favoriser la production de plus de boues dans le bassin d'aération. Ratio entre le débit volumique de recirculation des boues et l'affluent de traitement. La capacité du système de recirculation ne doit pas être inférieure à 200 % du débit moyen quotidien total.
• Besoins en nutriments (ratio C:N:P) – Outre carbone, hydrogène, oxygène, la biomasse a besoin d'azote, phosphore, et micronutriments (fer, calcium, magnésium, cuivre, zinc...). La plupart des eaux usées industrielles manquent d'N et de P, à ajouter (urée, superphosphate, phosphate d'ammonium) pour maintenir une croissance microbienne optimale. Ratio C:N:P minimum pour croissance optimale : aérobie 100:5:1, anaérobie 330:5:1.

Procédés biologiques les plus courants

Procédés aérobies – Procédé à boues activées (PBA)

Les procédés biologiques utilisant une biomasse aérobie en suspension sont traditionnellement appelés procédés à boues activées. Développé au Royaume-Uni au début des années 1900 pour le traitement des eaux usées domestiques, adapté depuis pour l'élimination des organiques biodégradables dans les eaux usées industrielles. Le PBA et ses variantes traitent des eaux usées biodégradables de force modérée (10-1000 mg/L DBO) à forte (supérieure à 1000 mg/L DBO). Le PBA n'élimine pas les métaux lourds ni les MEST. Certains contaminants (cyanure, métaux lourds comme chrome et mercure) agissent comme inhibiteurs du PBA et d'autres procédés biologiques. Les PBA sont classés selon la charge massique de conception en trois groupes : (i) faible charge (aération prolongée, bassins d'oxydation), (ii) charge moyenne (conventionnelle), (iii) charge élevée.

Le PBA implique le mélange des eaux usées primaires décantées ou de l'affluent égalisé avec une culture de microorganismes en un fluide appelé « liqueur mélangée ». Cette liqueur passe dans un bassin d'aération fournissant un environnement riche en oxygène pour que les microbes consomment et stabilisent la matière organique. Le mélange apporte oxygène et nourriture aux microorganismes, leur permettant de s'agglomérer tout en empêchant la décantation des flocs dans le bassin d'aération. Le procédé produit des « boues activées en excès » (BAE) constituées de microbes et de matière microbienne excédentaire. Les solides et eaux usées traitées sont séparés dans un clarificateur secondaire ou autre étape de séparation des solides comme un bioréacteur à membrane (BRM). La majorité des BAE est retournée au bassin d'aération comme boues activées de retour (BAR) pour maintenir la population microbienne et assurer que les boues activées sont assez vieilles pour dégrader la DCO et les hydrocarbures aromatiques. Le reste est éliminé et subit un épaississement.

Le clarificateur secondaire a un double objectif : clarifier les eaux usées et concentrer les boues. Le procédé est sensible aux fluctuations de pH, un pH trop haut ou trop bas pouvant perturber le système et causer une surcharge du clarificateur. La Fig 5 montre un schéma du PBA et du procédé BRM.

Fig 5 Procédés PBA et BRM

Les composés azotés sont toxiques pour la vie aquatique, épuisent l'oxygène dans les eaux réceptrices, affectent la santé publique et réduisent le potentiel de réutilisation de l'eau. Ils sont éliminés, si jugés excessifs, par nitrification puis dénitrification. L'azote organique est converti en ammoniac, puis en nitrite, oxydé en nitrate et enfin en azote gazeux. La dénitrification consomme de l'alcalinité et doit être suffisante pour ne pas déprimer le pH. Elle nécessite 7,14 mg/L d'alcalinité bicarbonatée pour chaque 1 mg/L d'azote ammoniacal éliminé. L'oxygène doit être maintenu près de 4 mg/L pour la dénitrification. Le contrôle du processus est normalement personnalisé pour chaque système de traitement selon les caractéristiques des eaux usées et pour une exploitation optimale.

Procédés aérobies – Procédé à bassin d'oxydation

Développé dans les années 1950 aux Pays-Bas, variante du PBA et forme spéciale d'aération prolongée. La forme du bassin est annulaire. Eaux usées, microorganismes et boues activées sont mélangés en boucle continue pour compléter les réactions de nitrification et dénitrification. L'équipement comprend le corps du bassin, mélangeurs d'aération, entrées et sorties. Donnant un TRH long de 20 à 36 heures, faible charge organique et âge des boues long comparé au PBA conventionnel, l'égalisation, la sédimentation primaire et les bassins de digestion des boues sont omis.

Avantages : (i) faible consommation d'énergie, (ii) faible maintenance, (iii) facilité d'exploitation, faible investissement, (iv) moins de boues grâce au long temps de rétention des solides, (v) résistance aux chocs de charge et surcharges hydrauliques grâce au long TRH. Inconvénients : qualité des MES de l'effluent inférieure au PBA, nécessite une grande surface foncière.

Procédés aérobies – Réacteur séquentiel discontinu (RSD)

Le RSD diffère des autres PBA. C'est un procédé discontinu. Le principe : toutes les étapes du PBA (décantation primaire, oxydation biologique, décantation secondaire) se déroulent dans un seul bassin. Étapes : remplissage, réaction, décantation, soutirage, repos. Le RSD est compact et a un faible investissement. Utilisé quand la surface est rare (un seul bassin pour aération et clarification). Traite aussi l'azote et le phosphore. Cycles standards de 4 à 6 heures, donnant 4 à 6 cycles de réaction par jour. Comparé au PBA conventionnel : résistant aux chocs de charge, exploitation flexible par ajustement du temps de cycle, faible production de boues.

Filtres ruisselants

Développés dans les années 1890, exemple de procédé biologique à film fixé comparé au PBA (procédé en suspension). Un filtre ruissulant comprend un lit de matériau grossier (roches arrondies 25-100 mm, pierres concassées, lattes bois ou plastique, anneaux plastique) sur lequel les eaux usées sont déversées par distributeurs à pulvérisation mobiles ou buses fixes. Le média filtrant offre une grande surface pour que les microorganismes s'accrochent et forment un biofilm gélatineux d'environ 10 mm d'épaisseur. Dans les portions externes du biofilm (0,1-0,2 mm), les bactéries aérobies dégradent la matière organique. Quand le biofilm devient trop épais, il se détache et une nouvelle couche se forme. Les filtres ruisselants modernes utilisent des médias plastiques plutôt que des roches (moins lourds, profondeur jusqu'à 6 m vs 3 m pour roches, permettant des filtres plus hauts avec moins de surface au sol).

L'effluent du filtre est recyclé pour minimiser le séchage du média, améliorer l'efficacité, et réduire le potentiel d'odeurs. Parfois, deux filtres sont montés en série pour traiter des eaux usées fortes. Les pulvérisateurs tournent à 2-5 tr/min, taux d'arrosage typique 0,6-2,4 m³/h. Si le taux est trop bas, l'eau ne pénètre pas uniformément la profondeur du lit, causant le chenalage et servant d'incubateur aux mouches, créant des problèmes d'odeurs. Filtres à faible taux : ventilation naturelle ; filtres à haut taux : ventilateurs à tirage forcé pour ventilation adéquate.

Le filtre ruissulant est suivi d'un clarificateur secondaire. Classification selon charges organiques et hydrauliques : faible taux, intermédiaire, haut taux, filtre de dégrossissage, super haut taux. Avantages : (i) besoins énergétiques inférieurs aux PBA, (ii) exploitation simple sans contrôle d'inventaire MESM et purge des boues, (iii) meilleure récupération après chocs toxiques, (iv) pas de problèmes de gonflement des boues dans les clarificateurs secondaires, (v) compacts pour espaces restreints, (vi) moins de maintenance, efficaces pour fortes concentrations d'organiques selon média, (vii) meilleures propriétés d'épaississement des boues. Inconvénients : qualité de l'eau d'effluent (DBO, MES) inférieure au PBA, peut nécessiter traitement supplémentaire, problèmes d'odeurs, mouches, risque de colmatage du média, à basse température la ventilation naturelle fonctionne mal.

Bioréacteur à lit mobile (BLM)

Développé dans les années 1980 par Kaldnes en Scandinavie. Le BLM est un procédé à film fixé plus moderne où les microorganismes se développent sur des médias plastiques (polyéthylène haute densité ou polypropylène, diamètre 13-25 mm), offrant une grande surface pour la croissance de la biomasse à l'intérieur, en mouvement constant grâce à l'air comprimé soufflé sous le bassin. Appliqué dans diverses applications de traitement d'eaux usées industrielles en modes aérobie et anaérobie, avec ou sans dénitrification selon le mode de mélange.

Avantages : bon pour charges organiques élevées, caractéristiques de décantation améliorées, pas besoin de recirculation des boues depuis le clarificateur secondaire (procédé « en une passe »), compact et faible empreinte comparé au PBA, construction modulaire. Peut rétrofiter des systèmes PBA existants, nécessite moins de contrôles opérationnels que les PBA, moins de contrôles mécaniques et d'instrumentation qu'un système BRM. TRH typique pour BLM : 2-3 heures vs 12-24 heures pour PBA. Inconvénients vs PBA : nécessite concentration d'oxygène plus élevée, besoin d'un criblage amélioré de l'affluent, pertes de charge hydraulique additionnelles dues au passage à travers les dispositifs de criblage du média.

Bioréacteur à membrane (BRM)

Bien que les BRM externes aient été développés dans les années 1960, ils sont devenus populaires seulement après le développement des BRM immergés (submergés) à la fin des années 1980. Le coût d'exploitation inférieur de la configuration BRM immergé et la diminution du coût des membranes ont fait des BRM un choix populaire pour le traitement des eaux usées domestiques et industrielles. BRM utilisés pour déchets industriels avec DBO de 5 000 à 40 000 mg/L, plages DBO 200-600 mg/L. La Fig 6 montre le principe du BRM.

Fig 6 Principe du bioréacteur à membrane

La qualité de l'effluent final d'une unité PBA conventionnelle dépend fortement des conditions hydrodynamiques dans le clarificateur et des caractéristiques de décantation des boues, conduisant à une performance variable. De grands clarificateurs avec longs temps de résidence sont nécessaires. Le procédé BRM a été développé pour éliminer ces inconvénients des PBA conventionnels.

Les BRM sont hybrides avec deux procédés de traitement interdépendants : traitement biologique et traitement par membrane (Fig 5). Similaire au PBA conventionnel : les deux ont des solides de liqueur mélangée en suspension dans un bassin d'aération. La différence réside dans la méthode de séparation des biosolides. Dans le BRM, les membranes créent une barrière solide aux biosolides par microfiltration (MF) avec taille de pore 0,6 μm, ou ultrafiltration avec taille de pore 0,04 μm, et ne sont donc pas soumises aux caractéristiques de décantation gravitaire des solides. Ainsi, une unité BRM combine aération, clarification et filtration en une seule étape avec des concentrations MESM atteignant 20 000 mg/L ou plus, résultant en une empreinte plus petite que les unités PBA conventionnelles.

Les BRM fournissent une qualité d'effluent final indépendante des conditions des boues, avec élimination plus élevée des organiques et polluants persistants, et nutriments : élimination DCO 99 %, efficacité d'élimination MES 100 %. L'effluent de haute qualité est idéal pour les applications de réutilisation. Autre caractéristique : long âge des boues, contribuant aussi à l'encrassement des membranes. Les unités BRM peuvent être installées directement en amont d'une usine d'osmose inverse (OI), contournant le besoin d'échange d'ions ou d'autres équipements pour protéger une usine à membrane, pourvu que les composés de dureté ou d'entartrage ne soient pas excessifs.

Deux types de configurations BRM : immergé et latéral (side-stream). Les systèmes immergés sont plus courants dans les grandes unités industrielles, le latéral limité aux petites unités. Différences aussi dans les membranes : fibres creuses, plaques planes, tubulaires. BRM immergés : fibres creuses ou plaques planes ; BRM latéraux : membranes tubulaires. Le BRM produit un niveau de traitement équivalent à un PBA suivi de microfiltration ou ultrafiltration.

Malgré les avantages, des défis persistent pour l'utilisation des BRM en applications industrielles. Avantages : (i) empreinte 25 % plus faible, (ii) remplace clarificateur et filtre gravitaire des systèmes conventionnels, (iii) idéal pour sites contraints en surface et TRH plus court de 4-8 heures. BRM fournit barrière imperméable aux solides produisant l'effluent de la plus haute qualité : DBO < 5 mg/L, turbidité < 0,1 NTU. L'encrassement des membranes est un défi majeur, réduisant la performance et nécessitant nettoyages fréquents ou remplacement, augmentant coûts de maintenance et d'exploitation. Tous les BRM nécessitent un criblage fin minimum de 3 mm. Les boues produites peuvent être difficiles à déshydrater. Le temps de rétention des boues est indépendant du TRH. Âge des boues élevé de 15 à 140 jours possible. Extensibilité modulaire, moins d'odeurs, exploitation flexible moins sujette aux perturbations. Procédé automatisable.

Clarificateurs secondaires

Le clarificateur a un double objectif : épaissir les solides après traitement biologique et les décanter, et produire un effluent clair des solides décantés. Les clarificateurs dans les systèmes à boues activées doivent être conçus non seulement pour les taux de surcharge hydraulique, mais aussi pour les taux de charge en solides, car clarification et épaississement sont nécessaires. La variable de procédé la plus importante est l'âge des boues ou TRCM. Autre paramètre important : le taux de charge en solides, défini comme la surface requise pour un épaississement approprié des boues au fond de l'unité (zone de compression). Les clarificateurs sont soit de conception rectangulaire, soit circulaire.

Traitement tertiaire

Le traitement secondaire conventionnel n'est fréquemment pas suffisant pour respecter les normes de qualité d'effluent requises pour le rejet dans les eaux de surface. Les effluents peuvent nécessiter des procédés tertiaires pour compléter l'élimination des solides et de la matière organique, la réduction de la couleur ou la dégradation de composés récalcitrants, la réduction des nutriments, et la désinfection. Les contaminants persistants que le traitement secondaire ne peut éliminer sont supprimés par le traitement tertiaire. Ces procédés sont classés « traitements tertiaires » car installés après le traitement secondaire, mais certains (procédés d'oxydation) peuvent être placés avant le traitement biologique pour améliorer la biodégradabilité des composés récalcitrants.

Avant réutilisation, recyclage ou rejet dans l'environnement, le traitement tertiaire est utilisé comme processus final de polissage pour améliorer la qualité des eaux usées. Pour l'élimination des nutriments (azote, phosphore), des toxines (pesticides, COV, métaux), et le polissage de l'effluent (DBO, MES), les procédés tertiaires sont employés. Ce sont des extensions du traitement biologique secondaire conventionnel pour la stabilisation ultérieure des substances consommant de l'oxygène dans les eaux usées, et pour éliminer l'azote et le phosphore.

Les techniques de séparation physique et chimique (adsorption sur charbon actif, floculation, précipitation) sont les procédés impliqués dans les traitements tertiaires. Les applications tertiaires les plus courantes sont la filtration et la désinfection, et le cas échéant l'élimination de l'ammoniac et du phosphore. L'ammoniac est toxique pour les poissons et le phosphore cause les blooms algaux.

Filtration

La filtration est un procédé de séparation consistant à faire passer un mélange solide-liquide à travers un matériau poreux (média filtrant) qui retient les solides et laisse passer le liquide filtré. Les filtres de polissage à média granulaire sont utilisés pour l'élimination des solides en suspension dans la gamme 5-50 mg/L. Les filtres les plus courants sont les filtres multicouches. La qualité du filtrat dépend de la taille, charge de surface, et géométrie des solides en suspension et du média filtrant, ainsi que de l'analyse de l'eau et des paramètres opérationnels. Selon le média, les filtres se classent en : (i) mono-média (sable ou anthracite), (ii) double média (sable et anthracite), (iii) multi-média (grenat, sable, anthracite).

Les médias filtrants les plus courants sont le sable et l'anthracite. La granulométrie efficace pour filtre à sable fin : 0,35-0,5 mm ; pour anthracite : 0,7-0,8 mm. Comparé au sable seul, le double média avec anthracite sur sable permet une pénétration plus profonde de la matière en suspension dans le lit filtrant, résultant en une filtration plus efficace et des cycles plus longs entre nettoyages. La profondeur de conception du média filtrant est minimum 0,8 m. En double média, les filtres sont normalement remplis avec 0,5 m de sable recouvert de 0,3 m d'anthracite.

En applications industrielles, les filtres sont logés dans des cuves sous pression en acier à intérieur époxy, avec collecteurs intérieurs pour la distribution de l'eau et un système de drainage pour la collecte du filtrat et le contre-lavage.

Comme la cuve de filtration sous pression est conçue pour la pressurisation, une perte de charge plus élevée peut être appliquée pour des lits filtrants plus hauts et/ou des grains plus fins et/ou des vitesses de filtration plus élevées. Débits de filtration de conception : 10-20 m/h ; taux de contre-lavage : 40-50 m/h. Pression disponible : environ 2 à plus de 4 bars.

Pour eaux d'alimentation à fort potentiel de colmatage, débits < 10 m/h et/ou seconde passe de filtration sur média sont préférés. Si le débit doit être augmenté pour compenser un filtre hors service, l'augmentation doit être progressive et lente pour éviter le relargage de particules précédemment déposées.

En fonctionnement, l'eau d'affluent entre par le haut, percole à travers le lit, et est prélevée par le système de collecteur au fond. Périodiquement, quand l'augmentation de la pression différentielle entre entrée et sortie du filtre sous pression atteint 0,3-0,6 bar, le filtre est contre-lavé et rincé pour emporter les matières déposées. Temps de contre-lavage : environ 10 minutes. Avant remise en service, le filtre doit être rincé à l'égout jusqu'à ce que le filtrat respecte les spécifications. Taux de contre-lavage excessifs entraînent une perte de média filtrant.

Variations de la filtration à débit profond : filtration à haut débit fonctionnant à des débits d'entrée bien plus rapides. Outre les filtres à média, d'autres types : filtres à disques et filtres à cartouches, utilisés aussi pour protéger les systèmes de filtration membranaire. Filtres à disques en média tissu plissé : débits très élevés, faible empreinte, eau de très haute qualité pour réutilisation, sans besoin de contre-lavage intensif.

Certains procédés avancés de traitement de l'eau sont aussi utilisés comme traitement tertiaire. Appliqués aux eaux usées traitées conventionnellement pour améliorer la qualité jusqu'à un degré adapté à diverses applications de recyclage et réutilisation, y compris la réutilisation potable. Les procédés tertiaires additionnels sont : différents procédés de traitement membranaire (microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration), osmose inverse, procédés d'oxydation avancée, et procédés de désinfection additionnels (ozonation, rayonnement ultraviolet). Certains de ces procédés avancés sont décrits ci-dessous.

Technologie membranaire

Les membranes sont un choix populaire pour les applications de réutilisation de l'eau depuis leur apparition dans les années 1960. Les coûts des systèmes membranaires ont chuté drastiquement, et couplés aux avancées technologiques dans la conception des membranes, options et limites d'exploitation, la gamme d'applications dans le traitement de l'eau et des eaux usées augmente rapidement. Dans la filtration membranaire sous pression, les membranes séparent les composants d'un fluide sous pression. Les pores de la membrane, extrêmement petits, permettent le passage sélectif des solutés. La popularité des procédés membranaires vient de leur efficacité pour l'élimination des solides dissous et en suspension. Une large gamme de matériaux (acétate de cellulose, polyamides, polysulfones, polypropylène, nylon, polyacrylonitrile, polycarbonate, alcool polyvinylique, polytétrafluoroéthylène, céramique, composites métalliques) sont utilisés pour produire les membranes. La taille des pores est le paramètre de sélectivité. Selon la taille des pores, quatre types de membranes sous pression : microfiltration et ultrafiltration (basse pression, pores plus grands), nanofiltration (pression moyenne), osmose inverse (pression significative, pores plus petits).

Procédés d'oxydation avancée (POA)

Les POA sont définis comme des procédés impliquant la génération et l'utilisation de radicaux hydroxyles puissants mais relativement non sélectifs en quantités suffisantes pour oxyder la majorité des produits chimiques complexes présents dans l'eau d'effluent. Les POA présentent des avantages spécifiques sur les alternatives conventionnelles : ils éliminent les composants organiques non biodégradables et évitent l'élimination des boues résiduelles. Après le fluor (V = -3,06), les radicaux hydroxyles libres (OH•) ont le potentiel d'oxydation le plus élevé (V = -2,86). Dans le procédé POA, les radicaux OH• sont générés, réagissant avec les molécules organiques pour générer CO₂ et eau. Les POA se classent en deux groupes : POA non-photochimiques et photochimiques. Photochimique = source lumineuse nécessaire. Normalement lumière UV utilisée. Lampes UV basse pression : longueur d'onde 254 nm. Absorption maximale de l'ozone à 253,7 nm. Parmi les technologies non-photochimiques, les plus prévalentes sont : ozonation, Ozone/H₂O₂, réaction de Fenton.

Ozonation

Découvert en 1785, l'ozone (O₃) est un agent oxydant fort largement appliqué (-2,07 V) pour la désinfection de l'eau potable et des eaux usées, la décoloration, l'élimination des odeurs, la dégradation des organiques, la destruction du cyanure, etc. L'O₃ à température ambiante est un gaz bleuté piquant, faiblement soluble dans l'eau, hautement corrosif, toxique et explosif si la concentration dans l'air dépasse 20 %. Comme germicide, il est 3 125 fois plus rapide que le chlore. L'efficacité de l'ozonation augmente avec un pH et une température élevés. Quand l'O₃ se dissout dans l'eau ou les eaux usées, il peut rester sous forme de molécule O₃ (pH > 7, réaction plus lente) ou se décomposer (pH > 8) produisant le radical hydroxyle libre (OH•), agent oxydant 35 % plus fort que l'O₃. Les deux réactions se produisent simultanément, la cinétique dépendant fortement des caractéristiques des eaux usées traitées (pH, concentrations organiques, présence d'agents moussants et tensioactifs, concentration d'ozone, température). Un pH de 8 à 10 est le plus adapté pour l'oxydation des composés organiques. L'ozone est faiblement soluble dans l'eau et diminue rapidement avec l'augmentation de la température. À 20°C, solubilité à 100 % = 570 mg/L. Plage de température préférée : 25-50°C.

Mécanisme de réaction simplifié de l'ozone à pH élevé : 3 O₃ + H₂O = 2 OH• + 4 O₂. L'O₃ moléculaire est un oxydant très sélectif, ne réagissant qu'avec certains composés, applicable à faibles doses pour applications industrielles. Il peut aussi inhiber ou détruire les propriétés moussantes des tensioactifs résiduels et oxyder une bonne partie de la DCO. Ainsi, l'O₃ améliore la biodégradabilité globale de l'effluent en convertissant les composés récalcitrants en composés facilement digestibles, applicable en amont ou en aval d'une station de traitement biologique. L'oxygène résiduel dans le gaz d'évent peut être recyclé vers la station biologique secondaire, réduisant les besoins d'aération. Autre avantage : n'augmente pas la masse des boues.

L'O₃ peut être appliqué sous forme gazeuse et, de par sa nature instable, doit être généré sur site à partir d'air ou d'oxygène pur par rayonnement UV, électrochimie ou générateurs à décharge corona. Détecteurs de fuite O₃ à installer pour avertissements sonores/visuels et arrêt des générateurs en cas de fuite. L'O₃ est désactivé en présence de fortes concentrations de sels. Variation : procédé O₃/H₂O₂. Développé pour réduire les concentrations d'O₃, le H₂O₂ agit comme catalyseur améliorant la capacité de l'O₃ à produire plus de radicaux OH•. À pH bas, H₂O₂ réagit très lentement avec O₃ ; à pH élevé (conditions alcalines), réaction rapide.