Les processus de base du traitement des eaux usées
L’eau est une denrée précieuse. Pour protéger nos eaux naturelles et accompagner la production d’eau potable, toutes les eaux usées font l’objet d’un nettoyage de leurs résidus et polluants, avant d’être réintégrées dans les cycles d’eau propre. Différents procédés sont utilisés pour traiter l’eau et obtenir le meilleur niveau de qualité hydrique possible. On distinguer deux grands types de traitement des eaux usées. Premièrement, on élimine les substances toxiques de l’eau. Cela se fait par le nettoyage, l’élimination du fer, l’élimination du manganèse, la stérilisation, le dessalement ou l’adoucissement. Ensuite, on ajoute des substances pour améliorer la qualité et influencer les paramètres tels que le pH ou la conductivité.
Les étapes du traitement de l'eau
Plusieurs procédés sont à votre disposition pour mettre en œuvre les différentes étapes de préparation du traitement de l'eau :
- Procédés physiques de préparation mécanique tels que l'aération, la sédimentation ou l'influence thermique. Cela comprend également l'utilisation de tamis, de filtres et de cribles.
- Les procédés biologiques tels que le traitement anaérobie des eaux usées, l'oxydation biochimique ou la digestion des boues.
- les procédés chimiques tels que la neutralisation, la désinfection, la floculation et la précipitation
- Procédés membranaires tels que la filtration, l'osmose et la nanofiltration
C'est dans les stations d'épuration municipales que le volume d'eaux usées à traiter est le plus important, d'où la nécessité d'une combinaison plus diversifiée et d'une procédure plus efficace. Les procédures utilisées dépendent du type de station d'épuration.
Les processus de traitement dans les stations d'épuration peuvent être divisés en différentes étapes.
Étape 1 : traitement mécanique de l'eau
Au cours de la première étape, les eaux usées encore non traitées sont traitées mécaniquement, ce qui permet d'éliminer environ 20 à 30 % des solides qu'elles contiennent. Pour ce faire, les eaux usées sont acheminées vers une installation de dégrillage, où un crible ou un tambour de tamisage filtre les impuretés grossières telles que les feuilles, le papier ou les textiles. Différents cribles, allant des cribles grossiers avec une largeur de fente de plusieurs centimètres aux cribles fins avec une largeur de fente de quelques millimètres, à travers lesquels l'eau s'écoule à différentes vitesses, filtrent les matières grossières étape par étape. Les débris de tamis récupérés mécaniquement sont essorés et éliminés dans une usine d'incinération.
L'eau pré-purifiée passe ensuite dans ce que l'on appelle un collecteur de sable. Dans les techniques de traitement des eaux usées, un bassin de sédimentation est utilisé pour éliminer les particules grossières, telles que les pierres, les éclats de verre ou le sable, ainsi que les matières organiques grossières qui n'ont pas été séparées par les dégrilleurs. Cela se produit à une vitesse d'écoulement relativement élevée d'environ 0,3 m/s. On distingue le collecteur de sable long non aéré, le collecteur de sable long aéré - également appelé collecteur de sable cylindrique - et le collecteur de sable rond.
Le dessableur aéré élimine les graisses et les huiles supplémentaires des eaux usées : l’air de process introduit génère un mouvement de roulement dans l’eau, qui va faire remonter à la surface les substances plus légères, telles que les huiles et graisses. En surface, elles sont alors relativement simples à extraire.
Un dessableur rond sépare les substances des eaux usées par la force centrifuge et les aspire. Une fois nettoyés dans le dessableur, les débris de ce dernier font l’objet d’un second nettoyage et sont débarrassés de toutes substances organiques. Cette procédure permet d’améliorer la déshydratation des matériaux inorganiques collectés, qui vont alors pouvoir être recyclés pour la construction de routes. En cas d’impossibilité de recycler ces résidus, ceux-ci doivent être éliminés selon la réglementation en vigueur, à savoir être mis en décharge ou détruits dans des usines d’incinération des déchets.
Le bassin de traitement primaire des eaux usées est l'étape suivante du traitement des eaux usées. La vitesse des eaux usées est d'environ 1,5 cm/s, ce qui est nettement plus lent que dans le dessableur. La réduction de la vitesse d'écoulement est obtenue en élargissant le bassin. Le processus implique une faible vitesse d’écoulement pour permettre aux particules plus fines de se déposer, selon leur nature, au fond ou à la surface de l’eau. Les boues produites par sédimentation (se déposant au fond du bassin) sont appelées boues primaires. Elles sont généralement composées de matières organiques. Les boues primaires sont récupérées par un racleur vers une trémie de boue fraîche. Les substances flottantes sont transférées vers une conduite de boue flottante. Une pompe fait cheminer les boues fraîches vers un digesteur.
Dans le digesteur, le méthane est produit en quatre phases (hydrolyse, acidification, acétogénèse et méthanogénèse) ; il est converti en électricité dans une centrale de chauffage en bloc et peut être utilisé pour alimenter l'usine en énergie. Le processus de digestion dans le digesteur se fait en l’espace d’environ quatre semaines. Les résidus consistent en une boue inodore qui est souvent utilisée pour des besoins agricoles après déshydratation par centrifugeuse ou filtre.
C’est ici que la phase de nettoyage mécanique s’achève. En moyenne, ce sont environ 30 à 40 % des polluants qui sont éliminés des eaux usées au cours de cette phase. À ce stade dans la station d’épuration, les eaux usées parviennent alors à la prochaine phase de traitement.
Étape 2 : nettoyage biologique
Dans la plupart des stations d'épuration, l'eau pré-purifiée lors de l'étape de traitement mécanique atteint maintenant ce que l'on appelle les bassins d'aération, qui sont souvent conçus comme des bassins de circulation. C'est là qu'a lieu l'épuration biologique.
L'eau est mise en circulation par apport d'oxygène et à l'aide d'hélices. Des zones plus ou moins ventilées sont créées dans lesquelles différentes conditions de milieu sont créées pour les bactéries et les micro-organismes. Ces micro-organismes se nourrissent des contaminants organiques encore présents dans l'eau et les transforment en substances inorganiques. Les bactéries forment des groupes de boues activées qui flottent librement dans l'eau. L'apport d'oxygène stimule la multiplication des bactéries et favorise ainsi la formation de boues activées. Ce processus d'épuration biologique des eaux usées est donc également appelé processus de boues activées.
Les eaux usées avec les boues activées sont déversées dans le réservoir de traitement secondaire des eaux usées. La vitesse d'écoulement du flux d'eaux usées y est à nouveau réduite. La sédimentation a lieu : Les boues activées se déposent au fond de l'eau purifiée, où elles peuvent être séparées de l'eau claire par des dispositifs mécaniques de décantation situés au fond. Une partie est transférée vers la tour de digestion en tant que biomasse supplémentaire. L'autre partie des boues, également appelée "boues de retour", est renvoyée dans le bassin d'aération afin de s'assurer qu'il y a suffisamment de micro-organismes dans le bassin d'aération pour décomposer les saletés. Après le traitement biologique, environ 90 % des eaux usées sont débarrassées des substances biodégradables. L'oxygène étant fourni par des compresseurs, l'étape du nettoyage biologique est la phase la plus énergique de tout le processus de nettoyage. Une fois que l'eau a atteint la qualité prescrite par la loi, elle peut être renvoyée dans le cycle de l'eau, par exemple dans une rivière.
Dans de nombreux autres cas, l'épuration biologique n'est pas suffisante. Dans ce cas, d'autres processus de traitement des eaux usées sont nécessaires - par exemple, une préparation sous la forme d'un traitement chimique. Dans ce cas, des additifs chimiques sont également utilisés.
Étape 3 : traitement chimique des eaux usées
À ce stade de l'épuration des eaux usées, des procédés chimiques sont utilisés pour le traitement des eaux usées. À cette fin, des composés chimiques sont utilisés pour atteindre les valeurs normalisées de l'eau prescrites par la loi. Le traitement chimique dans les stations d'épuration comprend la neutralisation, la désinfection, la précipitation des phosphates, l'élimination de l'azote, le dégivrage et l'élimination du manganèse.
La neutralisation est utilisée pour produire la valeur de pH prescrite, qui est obtenue en ajoutant un acide, par exemple HCL, ou une base, par exemple le lait de chaux.
Lors de la désinfection, les agents pathogènes sont tués par l'ajout de chlore ou de dioxyde de chlore. L'irradiation des eaux usées par la lumière UV est une bonne alternative à l'ajout de produits chimiques, mais elle est utilisée moins fréquemment. Élimination des phosphates : Nos eaux usées sont souvent contaminées par des phosphates provenant de détergents, d'engrais, d'additifs alimentaires et de matières fécales. S'ils restent dans les eaux usées, ils entraînent une surfertilisation des masses d'eau et un enrichissement en nutriments, ce qui peut entraîner une croissance inutile des plantes (eutrophisation) nuisible à l'écosystème.
Les phosphates sont éliminés par un processus de précipitation chimique ou de floculation. La précipitation des phosphates est en partie déclenchée par l'ajout de sels d'aluminium ou de fer dans le collecteur de sable ou dans le réservoir de traitement secondaire des eaux usées. Les flocons de phosphates métalliques qui se forment lors de cette clarification secondaire sont ensuite éliminés des eaux usées avec les boues activées. Selon le mode de fonctionnement, le phosphate peut également être "pêché" dans les eaux usées à l'aide de micro-organismes. Dans ce cas, on parle d'une élimination biologique du phosphore, qui est toutefois encore rarement utilisée.
La purification chimique de l'eau comprend également l'élimination de l'azote : grâce à ce processus, les composés azotés nocifs pour l’eau, tels que l’ammoniac et l’ammonium, sont éliminés des eaux usées. Lorsqu’ils sont rejetés dans les plans d’eau, les composés azotés absorbent l’oxygène vital de l’eau et entraînent la mort des poissons.
L’azote est éliminé par des processus de nitrification et dénitrification : Au cours de la nitrification, l'ammoniac est transformé en nitrite grâce à l'ajout de bactéries anaérobies et d'oxygène, puis en nitrate dans une seconde étape. La dénitrification qui s'ensuit est également déclenchée par l'ajout de micro-organismes anaérobies. Ils décomposent le nitrate en azote gazeux via des activités enzymatiques ; ce dernier se dégage ensuite dans l’atmosphère.
Déferrisation : pour réduire la teneur en fer des eaux usées et se conformer aux valeurs seuils, de l’oxygène est ajouté pour déclencher l’oxydation des cations de fer (II). Pour déclencher le processus d’oxydation, il est nécessaire d’ajouter de la soude caustique aux eaux usées.
Démanganisation : en général, le manganèse est présent dans les eaux usées sous forme d’hydrogénocarbonate de manganèse. L’ajout d’oxygène forme des composés de manganèse IV faiblement solubles, simples à éliminer de l’eau.
4. Stade : Procédés membranaires / Nanofiltration
La quatrième et dernière étape d'épuration fait appel à des procédés de membranes et de filtres. Cette étape de purification est en partie combinée avec les processus chimiques de précipitation et de floculation. C'est ainsi que l'on obtient, par exemple, la méthode de filtration par floculation. Des précipitants et des floculants sont ajoutés aux eaux usées, ce qui provoque la floculation des substances à séparer. Les eaux usées contenant les matières floculées passent ensuite à travers un filtre en tissu ou un filtre à sable.
Elles s'infiltrent lentement à travers la couche filtrante. Même les plus petites matières organiques en suspension sont éliminées.
La nanofiltration fonctionne de manière très similaire. Contrairement à la filtration normale, l'eau passe sous pression à travers une membrane qui retient même les plus petites particules dissoutes, telles que les molécules ou les ions de métaux lourds. Il en va de même pour l'osmose inverse, qui utilise des pressions de travail encore plus élevées et des membranes plus fines.
Les polluants retenus lors de la filtration, de la nanofiltration et de l'osmose inverse sont filtrés dans le traitement des boues sous forme de boues de filtration via le bassin de traitement primaire des eaux usées.
L'eau atteint maintenant la dernière zone de la station d'épuration, le réservoir de stockage de l'eau traitée. Des échantillons d'eau y sont à nouveau prélevés et la qualité de l'eau est contrôlée. L'eau purifiée n'est réintroduite dans le cycle de l'eau que lorsque les paramètres prescrits par la loi sont respectés.
