Épuration des eaux - Définition

Introduction

L’épuration des eaux est un ensemble de techniques qui consistent à purifier l'eau soit pour recycler les eaux usées dans le milieu naturel, soit pour transformer les eaux naturelles en eau potable.

Eaux usées

Il existe deux techniques principales pour épurer les eaux, s'appliquant tant au traitement des eaux usées qu'à la production d'eau potable. Les techniques physico-chimiques sont par ailleurs essentiellement réservées à l'eau potable. Le dioxyde de chlore, l'ozonation et le sodium sont aussi efficaces.

Ces dernières années, de nombreuses avancées en recherche et développement ont été nécessaires pour faire face à la complexité croissante de la pollution, quelle qu’en soit sa source. Les nouveaux engrais mis sur le marché, ainsi que la prise de conscience et l’identification de nouvelles sources de pollutions industrielles mais également pharmaceutiques (résidus de médicaments actifs rejetés par les individus) posent en effet de nouveaux défis technologiques à l’épuration.

Les filières biologiques

Les procédés biologiques sont utilisés pour le traitement secondaire des eaux résiduaires urbaines et industrielles. Dans leur configuration de base, ils sont essentiellement employés pour l’élimination des composés carbonés présents sous forme soluble tels que sucres, graisses, protéines, etc, pour lesquels les solutions par voie physico-chimique sont souvent peu efficaces, coûteuses ou difficiles à mettre en œuvre. Ceux-ci sont nocifs pour l'environnement puisque leur dégradation implique la consommation de l'oxygène dissous dans l'eau et nécessaire à la survie des animaux aquatiques. Le but des traitements biologiques est d’éliminer la pollution organique soluble au moyen de micro-organismes, bactéries principalement. Les micro-organismes hétérotrophes, qui utilisent la matière organique comme source de carbone et d’énergie, ont une double action :

• La matière organique est en partie éliminée sous forme gazeuse lors de la minéralisation du carbone avec production de CO dans les procédés aérobies et de biogaz (CO + CH) dans les procédés anaérobies,
• et en partie transformée en particules solides constituées de micro-organismes issus de la multiplication bactérienne. Ces particules peuvent être facilement séparées de la phase liquide par des moyens physico-chimiques tels que la décantation par exemple.

Si nécessaire, la transformation des ions ammonium (NH+) en nitrate (NO-) ou nitrification peut être réalisée simultanément.

Ces procédés peuvent aussi permettre d’éliminer l’azote et le phosphore par voie biologique moyennant la mise en œuvre d’étapes supplémentaires dans la filière de traitement : mise en place d’un bassin d’anoxie, d’un bassin d’anaérobie, ….

Les différents procédés utilisés peuvent être classés en fonction des conditions d’aération et de mise en œuvre des micro-organismes. Ainsi, on distingue :

• les procédés aérobies à cultures libres ou boues activées,
• les procédés aérobies à cultures fixées,
• les procédés anaérobies à cultures libres,
• les procédés anaérobies à cultures fixées.

La charge en polluants organiques est mesurée communément par la demande biochimique en oxygène sur 5 jours (DBO5) ou la demande chimique en oxygène (DCO).

Traitement aérobie

Traitement biologique avec apport artificiel d'oxygène par diffusion de microbulles.

Les filières biologiques aérobies font appel aux micro-organismes naturellement présents dans le milieu naturel pour dégrader la pollution. Elles miment les propriétés d'épuration des sols (filtres plantés de roseaux, filtres à sable) ou des rivières (lagunage, boues activées). L'apport d'oxygène peut être naturel (le vent ou système de cascade) dans les petites installations de lagunage, ou artificiel (turbine ou diffusion de microbulles) dans les stations d'épuration de type "boues activées".

Les bactéries peuvent être libres (boue activée, lagunage) ou fixées (lit bactérien, filtres plantés, filtres à sable, bio-filtre) ou encore biodisques.

Traitement anaérobie

Élimination de l’azote

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’azote ammoniacal en nitrite, puis en nitrate par des bactéries nitrifiantes. L’ammoniac est toxique pour la faune piscicole et il génère une forte consommation d'oxygène dans le milieu récepteur. Les bactéries nitrifiantes sont autotrophes (elles fixent elles-mêmes le carbone nécessaire à leur croissance dans le CO dissous dans l'eau). Elles croissent donc beaucoup plus lentement que les hétérotrophes. Une station d'épuration communale doit d’abord éliminer les composés organiques avant de pouvoir nitrifier.

Une troisième étape consiste à dénitrifier les nitrates résultants de la nitrification. Pour cela, plusieurs techniques existent: soit la dénitrification est effectuée dans le bassin d'aération lors de la phase d'arrêt des turbines, soit une partie de l’eau chargée de nitrates de la fin de traitement biologique est pompée et mélangée à l’eau d’entrée, en tête de traitement. La dénitrification se passe alors dans un réacteur anoxique, en présence de composés organiques et de nitrate. Le nitrate est réduit en azote moléculaire (N2) qui s’échappe dans l’air sous forme de bulles, éliminées dans le dégazeur dans le cas de dénitrification dans le bassin d'aération. Les nitrates sont des polluants qui sont à l’origine de l’envahissement d’algues dans certaines mers, en particulier la Mer du Nord.

Les filières physico-chimiques

Les filières physico-chimiques utilisent des moyens physiques (décantation, flottation, filtres et membranes) et/ou des produits chimiques, notamment des coagulants (Chlorure ferrique, Sulfate d'aluminium…) et des floculants. On les utilise pour certains effluents industriels (toxiques) ou lorsque l'on doit gérer des variations rapides des flux à traiter (cas des stations d'épuration de communes touristiques, ou lorsqu'avec un réseau unitaire on veut faire face à l'arrivée d'eau de pluie). Dans l'état actuel des technologies, les membranes de microfiltration, ultrafiltration et nanofiltration sont encore réservées à la potabilisation de l'eau.

Dans les installations complexes devant traiter plusieurs paramètres, on peut rencontrer les deux filières simultanément.

Classiquement une station d'épuration urbaine à boues activées comprend les étapes suivantes:

• prétraitement : dégrillage, dessablage, déshuilage
• traitement primaire : simple décantation avec récupération des boues et écrémage des flottants.
• traitement secondaire : aération et brassage, décantation secondaire (dite aussi clarification). À partir de ce dernier élément, l'eau clarifiée est rejetée (sauf traitement tertiaire) 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.
• éventuellement traitement tertiaire de coagulation-floculation ou de désinfection par le chlore ou l'ozone (pour éliminer les germes pathogènes).

Le traitement secondaire peut comporter des phases d'anoxie (ou une partie séparée en anoxie) qui permet de dégrader les nitrates.

Les filières de traitement de l'eau peuvent comporter une étape finale, dite "traitement tertiaire", incluant un ou plusieurs des processus suivants:

• désinfection par le chlore ou l'ozone (pour éliminer les germes pathogènes).
• Les métaux en solution dans l'eau peuvent être neutralisés : en faisant varier le pH de l'eau dans certaines plages, on obtient une décantation de ces polluants.

Mais chaque étape produit à son tour des sous-produits qu'il faut également éliminer: déchets grossiers, sables et surtout les boues constituées de bactéries mortes.

Donc, en parallèle du circuit de traitement de l'eau, les usines de dépollution comportent également une chaîne de traitement des boues. Le but du traitement des boues est de stabiliser ces boues (les rendre inertes) par un moyen qui peut-être physico-chimique avec par exemple de la chaux, ou biologique en laissant séjourner la boue dans des "digesteurs" (gros stockeur chauffé et brassé en anaérobie). Le traitement comprenant ensuite des ouvrages de décantation (on parle alors d'épaississement), de stockage et de déshydratation (presse, filtre-presse, centrifugeuse), voire de séchage, la valorisation en biogaz, ou même d'incinération. Les métaux en solution dans l'eau peuvent être neutralisés : en faisant varier le pH de l'eau dans certaines plages, on obtient une décantation de ces polluants. La digestion des boues produit du méthane (CH₄), communément appelé gaz de ville, qui lorsqu'il est produit en assez grande quantité est utilisé comme énergie (production électrique, chaudière, etc.), et de l'hydrogène sulfuré (H₂S), qui peut provoquer des asphyxies en milieu confiné.

Lorsque les boues d'épuration sont exemptes de produits toxiques, on peut les recycler en agriculture moyennant un conditionnement propre à faciliter leur manutention et leur entreposage sur site (traitement à la chaux). Lorsqu'elles sont polluées, il est nécessaire de les mettre en décharge. Une solution élégante pour les collectivités locales est de les composter avec les résidus verts ou de réaliser une méthanisation pour produire du biogaz. Dans d'autres pays, les filières d'élimination peuvent varier. En Suisse par exemple, la mise en décharge de boues est interdite et la valorisation agricole a pris fin le 1^er octobre 2008 (avec prolongation de deux ans dans certains cas) ceci en raison des risques pour la santé et les sols et en vertu du principe de précaution. La seule filière autorisée est l'élimination thermique (usines d'incinération des ordures ménagères, cimenteries).

Enfin, un troisième circuit (facultatif) assure le traitement de l'air pollué. Il peut être lui aussi biologique ou chimique.