Les grandes étapes du traitement

Nous venons de voir que la composition d’une eau usée est très diversifiée suivant son origine et chaque installation est par conséquent conçue pour répondre à un besoin spécifique. Les technologies utilisées se développent et se perfectionnent constamment par la recherche de technologies ou de procédés nouveaux et par la mise en place de nombreux automatismes. Les quatre étapes principales du traitement sont détaillées sur la figure 1.2 et décrites dans les paragraphes suivants.

1.3.1. Le pré-traitement

Le pré-traitement a pour objectif l’extraction des matières les plus grossières (brindilles, feuilles,

tissus, …) et des éléments susceptibles de gêner les étapes ultérieures du traitement. Il comprend : - le dégrillage : pour retenir les déchets volumineux à l’aide d’une succession de grilles

(2 à 4) de plus en plus fines. Les résidus recueillis sont déposés en décharge ;

- le dessablage : pour prévenir les dépôts dans les canalisations, protéger les organes mécaniques (pompes) contre l’abrasion et éviter de perturber les autres étapes de traitement. Les sables, recueillis généralement par raclage en fond de bassin, sont recyclés ;

- le dégraissage-déshuilage : pour éviter l’encrassement de la station par des corps gras. Effectuée dans le même bassin que l’étape de dessablage, la récupération des graisses et huiles se fait en surface. Les composés collectés seront alors incinérés (cas du traitement d’un effluent urbain) ou recyclés pour la fabrication de savons ou détergents (cas de certains effluents industriels) en fonction de leur qualité.

Prétraitement

Nature Procédés Matières éliminées

Physique Dégrillage Dessablage Déshuilage Déchets volumineux Sables Graisses et huiles Traitement primaire

Nature Procédés Abattement

Physico-chimique Décantation naturelle Flottation Décantation assistée MES DBO DCO Azote Traitement tertiaire

Nature Procédés Abattement

Physico-chimique Coagulation Floculation Décantation Micropolluants et colloïdes restants Chimique Echange d’ions Ozonation Chloration Précipitation Désinfection Phosphates

Figure 1.2 : Etapes d’une filière de traitement des eaux (Source : [Hadj-Sadok, 1999]).

Traitement secondaire

Nature Procédés Abattement

Biologique Boues activées Lagunage Lit bactérien biodisque anaérobie DBO DCO MES (Colloïdes) Azote Phosphates EAUX USEES

EAUX EPUREES Milieu naturel

Traitement des boues Epaississement Déshydratation Séchage Compostage Digestion anaérobie Incinération Epandage Décharge Incinération Recyclage Boues primaires Boues secondaires Boues tertiaires

Eaux usées après prétraitement

Eaux usées après traitement I

1.3.2. Le traitement primaire

Le traitement s’effectue par voie physico-chimique avec pour but d’extraire le maximum de matières en suspension et de matières organiques facilement décantables. Trois voies de traitement sont possibles :

- la décantation (processus physique) : le principe de séparation solide-liquide est la pesanteur, les matières en suspension ou colloïdales tendent à se séparer du liquide par sédimentation ;

- la flottation (processus physique) : par opposition à la décantation, la flottation est un procédé de séparation solide-liquide ou liquide-liquide qui s’applique à des particules dont la masse volumique réelle ou apparente (flottation assistée) est inférieure à celle du liquide qui les contient ;

- la décantation associée à l’utilisation d’un coagulant- floculant (voie physico-chimique) : le principe est ici de favoriser l’agrégation des molécules en suspension grâce aux techniques de coagulation et de floculation de façon à augmenter la sédimentation grâce à l’obtention de flocs plus gros.

Durant la phase de traitement primaire, une quantité importante de la pollution totale est éliminée (abattement des Matières En Suspension pouvant atteindre 90 % et de la Demande Biochimique en Oxygène de l’ordre de 35 % [Cardot, 1999]). La DCO et la concentration en azote peuvent également être réduits durant cette phase de traitement. Les matières solides extraites représentent ce que l’on appelle les boues primaires.

1.3.3 Le traitement secondaire

Le traitement secondaire a pour objectif principal l’élimination des composés solubles d’origine organique. Parallèlement, la floculation de la biomasse permet de piéger les matières en suspension restant à l’issue du traitement primaire.

Le principe de ce traitement est de mettre en contact la matière organique contenue dans les eaux usées avec une population bactérienne. Celle-ci assimile alors la matière organique pour son propre développement. Ces dispositifs permettent d’intensifier et de localiser sur des surfaces réduites les phénomènes de transformation et de dégradation des matières organiques tels qu’ils se produisent en milieu naturel. Ils sont la reconstitution d’un écosystème simplifié et sélectionné faisant intervenir une microfaune de bactéries, de protozoaires et de métazoaires.

Deux grandes familles peuvent être distinguées : les procédés à cultures fixes (micro-organismes fixés sur des supports) et les procédés à culture libre (micro-(micro-organismes maintenus en suspension dans le mélange à épurer). Plusieurs techniques sont associées à chacune de ces familles, le choix de l’une ou l’autre est fonction de l’emplacement disponible pour le procédé de traitement, de la

charge de l’effluent, de la quantité de pollution à traiter. Nous pouvons citer les plus courantes [Satin et Belmi, 1999 ; Degrémont, 2005] :

- le lit bactérien ou granulaire (culture fixe) : ruissellement de l’eau à traiter sur le support, ne nécessite pas de clarificateur en ce qui concerne le lit granulaire, coûts de fonctionnement faibles, rendement moyen pour un lit bactérien et bon pour un lit granulaire, chocs toxiques supportés, fonctionnement stable, risque de colmatage ;

- les biodisques (culture fixe) : biomasse fixée sur des disques tournants au sein du mélange à traiter, coûts de fonctionnement faibles, efficace à faible charge uniquement, sensible aux conditions climatiques (lessivage du biofilm par la pluie) ;

- le lagunage (culture libre) : concentration faible en organismes épurateurs, de la dimension d’un étang, utilisé lorsque de grands espaces sont disponibles, coûts de construction et de fonctionnement faibles, rendement élevé, fonctionnement relativement stable ;

- les boues activées (culture libre) : traitement en deux phases, contact de la biomasse et de l’eau usée dans un réacteur puis séparation des solides de la phase liquide épurée par décantation. Le processus d’épuration par boues activées est le plus répandu (60 % des unités de dépollution en France [Cardot, 1999]). Son développement est dû à ses excellentes performances de dépollution (rendement supérieur à 95 %) par rapport aux autres procédés existants. En contrepartie, suivant le type d’effluents à traiter, ce procédé peut être difficile à maîtriser notamment pour le traitement de l’azote et du phosphore ou en cas de variations importantes des flux à traiter.

1.3.4. Les traitements tertiaires

La législation sur les seuils de rejet en milieu naturel se durcissant régulièrement, de nombreuses études sont menées afin de proposer des traitements tertiaires permettant d’éliminer les composés restant après le traitement secondaire. En papeteries [Kwon et al., 2004 ; Temmink et Grolle, 2005], ces composés peuvent être des métaux, des composés organiques non-biodégradables ou encore des odeurs apparues durant le traitement secondaire. Ils sont généralement éliminés par ozonation, coagulation / floculation, filtration par membrane ou encore adsorption (carbone activé ou échange d’ions). Leur rendement est en général très satisfaisant puisque ces procédés permettent d’abattre de 75 à 95% de la DCO restante après le traitement secondaire, jusqu’à 97% des composés aromatiques et 98% de la couleur.

1.3.5. Le traitement des boues

Les techniques actuelles d’épuration des eaux usées domestiques ou industrielles, ainsi que les seuils de rejet de plus en plus exigeants et les quantités à traiter de plus en plus grandes, entraînent, au cours des différentes phases de traitement, une importante production de boues. Les boues contiennent en général 95 % à 98 % d’eau. Les traitements imposés aux boues s’effectuent classiquement en différentes étapes : épaississement, digestion anaérobie, déshydratation, séchage et valorisation. La

valorisation est soit agricole (épandage direct ou compostage), soit énergétique (incinération, digestion anaérobie).

1.3.6. Efficacité du traitement d’un effluent papetier

Le traitement des effluents papetiers s’effectue majoritairement par la méthode classique présentée ci-dessus : un traitement primaire physico-chimique suivi d’un traitement secondaire biologique. Le traitement primaire est effectué par sédimentation ou flottation. Il permet la suppression de plus de 80% des MES mais n’a que peu d’action sur la matière organique (DCO, DBO). Le traitement par boues activées est le procédé le plus couramment employé pour la phase de traitement secondaire. D’autres procédés tels que le lagunage ou encore les bioréacteurs à membrane sont utilisés mais de manière plus ponctuelle [Pokhrel et Viraraghavan, 2004]. Le traitement secondaire biologique permet d’éliminer la majorité des composés organiques biodégradables (jusqu’à 90% de la DCO et 99% de la DBO [Thompson et al., 2001]) mais ne permet pas de traiter les composés métalliques Na, K et Ca. En revanche, il permet de diminuer la concentration en Fe, Mn, Zn et Cu. Ces derniers étant présents principalement sous forme particulaire, ils sont éliminés avec les boues secondaires [Zhang et Hynninen, 2000].