Traitement secondaire des eaux usées

Le traitement secondaire, en général conçu pour la réduction de la teneur en matière organique en suspension dans l’eau, fait appel aux procédés biologiques et mise sur le travail des microorganismes pour initier différentes réactions chimiques, permettant ainsi d’effectuer la décantation des matières de « façon naturelle » et la biodégradation de la matière organique (Landry, 1997).

Les traitements secondaires peuvent être de type aérobie ou anaérobie dépendamment de type de microorganismes présents ou introduits dans le processus. Les traitements secondaires utilisent des bassins permettant d’entreposer temporairement des eaux usées pour accroître la population des microorganismes, celle qui est responsable d’accélérer et de maintenir la performance des procédés (Olivier, 2015). Ainsi, des processus d’aération et de recirculation des boues sont importants afin de maintenir une quantité optimale de microorganismes pour garantir l’efficacité du traitement, qui a une plage entre 80 % et 95 % d’enlèvement de la DBO (Brissette, 2008). Les boues activées sont les procédés les plus représentatifs du traitement secondaire et c’est lors du traitement biologique et de leurs sous-produits que l’émission de GES est plus courante (The Climate Registry, 2015). Un schéma d’usine, présenté à la figure 2.4., représente un système d’épuration des eaux usées muni d’un traitement secondaire, identifié par les éléments en vert.

21

Le traitement biologique des eaux usées implique l’élimination des contaminants par l’activité biologique. En effet, cette activité des microorganismes contenus dans les eaux est utilisée notamment dans les traitements secondaires pour éliminer les substances organiques biodégradables et les substances colloïdales ou dissoutes à partir des processus de digestion, produisant de la biomasse extraite par sédimentation ainsi que des gaz éliminés à l’atmosphère (Romero, 2005a).

Les procédés biologiques peuvent être de type aérobie, anoxique, anaérobie ou combiné. Chaque procédé peut varier aussi selon le type de croissance biologique et le flux des affluents. Les processus biologiques aérobies de traitement des eaux usées favorisent l’oxydation biologique de la matière organique contenue dans les affluents. L’oxydation biologique est la conversion bactérienne des matières dissoutes de la forme organique à leur forme inorganique ou stable (oxygène, hydrogène, carbone, phosphore et azote). Ce processus est connu couramment sous le nom de minéralisation (Romero, 2005a). Dans les traitements anaérobies, la biomasse transforme la matière organique en méthane grâce au processus d’hydrolyse et de fermentation (Olivier, 2015). Les conditions anoxiques, caractérisées par une faible concentration d’oxygène, favorisent les procédés biologiques dans certains affluents possédant divers groupes de microorganismes qui utilisent d’autres bactéries comme fixateurs d’électrons. En principe, les bassins anoxiques travaillent avec un temps de rétention plus étendu, en raison d’un contact rallongé entre les boues recirculées et les eaux à traiter (Romero, 2005a). Pour que l’enlèvement et la transformation de la matière organique soient efficaces, les procédés biologiques doivent garantir trois critères essentiels dans l’opération : le taux de nutriments adéquat pour les microorganismes responsables du traitement, des conditions environnementales favorables (température et pH) pour la croissance et l’autodigestion de la flore bactérienne et l’absence de composés toxiques nuisant à l’activité microbienne (Romero, 2005a). Le tableau suivant résume les principaux procédés biologiques utilisés dans les eaux usées municipales :

Tableau 2.2 Principaux procédés de traitement biologique (traduction libre de : Romero, 2005a, p. 227 et

adaptation de : J. Laperrière, notes de cours ENV 788, 16 février 2016, p. 19 à p. 71)

Procédé Biomasse Type de station/technologie Objectif

Anaérobie

Biomasse suspendue Digestion anaérobie

Enlèvement de DBO + stabilisation

Réacteur de contact Enlèvement de DBO

Biomasse hybride (suspendue et fixée)

Étangs anaérobies avec parois Enlèvement de DBO + stabilisation

Lit de boues ou Réacteur à refoulement anaérobie de

boue en nappe (UASB) Enlèvement de DBO + SS Biomasse fixée Lit fixé ascendant ou descendant Enlèvement de DBO +

stabilisation Lit fluidisé

22

Tableau 2.2 Principaux procédés de traitement biologique (suite)

Procédé Biomasse Type de station/technologie Objectif

Aérobie

Biomasse suspendue

Boues activées (bassins conventionnels, mélange complet, aération progressive, aération prolongée,

chenal d’aération, réacteur biologique séquentiel [RBS]) _{Enlèvement de DBO + nitrification} Étangs aérés facultatifs

Étangs nettement aérobies

Digestion aérobie Enlèvement de DBO +

stabilisation

Biomasse fixée/attachée

Lits bactériens (Eljen-GSF)

Enlèvement de DBO + nitrification Biofiltres (Filtre EcoflexMD, BiosorMD, Ecoflo)

Réacteurs à lit fixe (Bionest) Biotours (Segflo)

Biodisques (Rotofix)

Anoxique

Biomasse suspendue Bardenpho Enlèvement de DBO + N + P

Biomasse

suspendue/fixe Bassin de nitrification Enlèvement de N

La sélection des technologies pour le traitement des eaux dépend aussi de l’accès aux technologies. Au Québec, les étangs aérés sont les traitements biologiques les plus répandus avec 540 stations. D’autres types de traitement biologique, tels que les boues activées, les étangs non aérés, les étangs à rétention réduite, la biofiltration et les biodisques, sont utilisés (MAMOT, 2014a). La sélection d’autres types de traitement, tels que les filtres intermittents ou les réacteurs spéciaux commercialisés, sont aussi permis par le MDDELCC, non sans avoir validé précédemment les principes d’opération et leur performance avant leur implantation (MDDELCC, 2016d).

Les traitements biologiques sont fortement responsables des émissions directes (scope 1) lors de l’épuration des eaux usées. En effet, l’activité des bactéries méthanogènes, nitrifiantes et dénitrifiantes en culture libre ou fixée déterminent la transformation de la matière organique, de l’azote et subséquemment, de l’émission de sous-produits tels que le CH4 et le N2O (Romero, 2005a). Il est connu que le N2O peut se produire de manière significative durant le traitement biologique de boues activées anoxiques ou dans les traitements tertiaires des eaux usées pour l’élimination d’azote, avec un taux de production de 0,1 % à 0,8 % de N2O émis par quantité d’azote traité (Tallec et al., 2007).