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.
Différents processus sont mis à votre disposition pour les différentes étapes de préparation du traitement des eaux:
C’est dans les stations d’épuration municipales que l’on constate les plus gros volumes d’eau à traiter, il nous faut donc apporter des solutions plus diversifiées et des procédures plus efficaces. Les procédures à privilégier dépendent du type de station d’épuration.Nous considérons que les processus de traitement dans les stations d’épuration se divisent en différentes phases.
Dans cette première phase, les eaux usées vont faire l’objet d’un traitement mécanique qui va permettre d’éliminer environ 20 à 30 % des solides en suspension. Pour ce faire, le système va refouler les eaux usées vers une installation de criblage, où un crible ou une grille ou un tambour-tamiseur va se charger de filtrer les impuretés grossières, comme les feuilles, le papier ou les textiles. L’eau va cheminer à travers différentes grilles, allant de grilles grossières de plusieurs centimètres de large à des grilles à maille réduite de seulement quelques millimètres , s’écoulant à différentes vitesses, et filtrant ainsi progressivement les matériaux grossiers. Les débris collectés mécaniquement sont essorés, acheminés puis éliminés dans une usine d’incinération.
L’eau pré-purifiée passe ensuite dans ce que l’on appelle un dessableur. Dans un système de traitement des eaux usées, une fosse de sédimentation est utilisée pour éliminer les particules grossières, telles que les pierres, les éclats de verre ou le sable, ainsi que les matières organiques qui n’ont pas été préfiltrées par les grilles. Le flux s’écoule à une vitesse relativement élevée d’environ 0,3 m/s. On distingue les dessableurs longs non-aérés, les dessableurs longs aérés - également appelés dessableurs cylindriques -, et enfin les dessableurs ronds.
Le dessableur aéré élimine des eaux usées les graisses et autres huiles selon le procédé suivant : l’air process introduit génère un mouvement de roulement dans l’eau, qui va faire remonter les substances plus légères, telles que les huiles et graisses, à la surface. En surface, elles sont alors relativement simples à extraire.A dessableurs ronds sépare quant à lui les substances des eaux usées grâce à une force centrifuge avant de les évacuer par aspiration. 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 primaire de traitement des eaux usées constitue la prochaine phase de traitement des eaux usées. La vitesse des eaux usées est d’env. 1,5 cm/s, nettement plus lente que dans le dessableur. Il suffit d’élargir le diamètre du bassin pour réduire la vitesse d’écoulement. 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 réservoir) 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.Ce digesteurva permettre de libérer du méthane en quatre phases (hydrolyse, acidogenèse, acétogenèse et méthanogenèse) ; ce méthane est alors converti en électricité dans une centrale de chauffage et peut ainsi être utilisé sur site pour alimenter une centrale 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. A ce stade dans la station d’épuration, les eaux usées parviennent alors à la prochaine phase de traitement.
Dans la plupart des stations d’épuration, l’eau pré-purifiée pendant la phase de traitement mécanique est acheminée vers des bassins d’aération, qui prennent souvent la forme de bassins de circulation. C’est là que le nettoyage biologique va se dérouler.
L'eau est mise en circulation par l'apport d'oxygène et à l'aide d'agitateurs. L’objectif est de créer des zones plus ou moins ventilées afin d’établir des conditions variées pour les bactéries et les micro-organismes. Ces micro-organismes vont pouvoir se nourrir des contaminants organiques résiduels et les convertir en substances inorganiques. Les bactéries forment des flocons de boues activées qui flottent librement dans l’eau. L’apport d’oxygène stimule la démultiplication des bactéries, favorisant ainsi la formation de boues activées. Ainsi, ce processus de traitement biologique des eaux usées prend également le nom de processus de boues activées.Les eaux usées contenant les boues activées sont ensuite rejetées dans le bassin secondaire de traitement des eaux usées. De nouveau, le système réduit ici la vitesse d’écoulement du flux d’eaux usées. La sédimentation peut alors se faire : Les boues activées se déposent au fond de l’eau purifiée, où elles peuvent être extraites par des dispositifs de nettoyage mécaniques positionnés en fin de bassin. Une partie est alors transférée vers le digesteur, ainsi alimenté en biomasse supplémentaire. L’autre partie des boues, également désignée par le terme de « boues de retour », est renvoyée vers le bassin d’aération pour garantir un niveau suffisant de micro-organismes dans le bassin d’aération, pour la décomposition des impuretés. Une fois le traitement biologique terminé, ce sont près de 90 % des eaux usées qui ont été nettoyées des substances biodégradables. L’étape de nettoyage biologique impliquant la fourniture d’une grande quantité d’oxygène, c’est donc elle qui est la plus énergivore sur l’ensemble du process. Une fois que l’eau a atteint une qualité réglementaire, elle peut être réintégrée vers les filières d’eau claire, par exemple, vers une rivière.Mais dans de nombreux autres cas, le nettoyage biologique se révèle insuffisant. Dans de tels cas, d’autres processus de traitement des eaux usées s’imposent, et c’est par exemple un traitement chimique qui va prendre le relais. On va donc faire appel à des additifs chimiques pour augmenter la purification de l’eau.
À ce stade du traitement des eaux usées, des procédés chimiques sont utilisés pour le traitement des eaux usées. Ces composés chimiques sont utilisés afin d’atteindre les valeurs prescrites par la loi. Les traitements chimiques utilisés dans les stations d’épuration incluent la neutralisation, la désinfection, la précipitation des phosphates, l’élimination de l’azote, la et démanganisation par le froid.
La neutralisation est utilisée pour atteindre la valeur de pH prescrite, où l’on va ajouter un acide, par exemple de l’acide chlorhydrique, ou une base, par exemple du lait de chaux.En phase de la désinfection , les agents pathogènes sont éliminés par l’ajout de chlore ou de dioxyde de chlore. L’irradiation des eaux usées par les rayons UV constitue une bonne alternative à l’ajout de produits chimiques, bien qu’elle soit moins fréquemment mise en œuvre. L’élimination des phosphates: nos eaux usées sont souvent contaminées aux phosphates issus de détergents, d’engrais, d’additifs alimentaires et autres matières fécales. Si elles sont toujours présentes dans les eaux usées, elles conduisent à une surfertilisation des plans d’eau et à un enrichissement nutritif qui peut entraîner une croissance de plantes (eutrophisation) néfastes pour l’écosystème.
Les phosphates sont éliminés par un processus de précipitation chimique ou de floculation. Le la précipitation des phosphates va partiellement être déclenchée par l’ajout de sels d’aluminium ou de fer au cœur du dessableur, ou dans le bassin secondaire de traitement des eaux usées. Au cours de cette clarification secondaire, les flocons de métal-phosphate ainsi formés vont ensuite être évacués des eaux usées avec les boues activées. Selon la configuration, il sera possible de « pêcher » le phosphate à l’aide de micro-organismes puisés dans les eaux usées. Ce scénario correspond à une élimination biologique du phosphore, technique encore rarement utilisée.
La purification chimique de l’eau inclut 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, entraînent la mort des poissons. L’azote est éliminé par des processus de nitrification et dénitrification : En phase de nitrification, l’ammoniac est oxydé en nitrite par une réaction avec des bactéries anaérobies et de l’oxygène ; puis dans un deuxième temps, le nitrite est oxydé en nitrate. La dénitrification qui suit 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.
La quatrième et dernière phase de traitement va impliquer des processus utilisant des membranes et des filtres. Cette étape de nettoyage se combine en partie avec les processus chimiques de précipitation et de floculation. On parle ainsi de méthode de filtration par floculation. On ajoute des précipitants et floculants aux eaux usées, provoquant ainsi la floculation des substances que l’on cherche à séparer. Les eaux usées avec le matériau floculé sont alors canalisées vers une membrane ou un filtre à sable.
It slowly seeps through the filter layer. Even the smallest organic suspended solids are removed.La nanofiltration fonctionne de manière très similaire. Contrairement à une filtration normale, l’eau est mise sous pression à travers une membrane qui retient les plus infimes particules dissoutes, comme des molécules ou des ions de métaux lourds. C’est un phénomène identique que l’on retrouve avec l’osmose inversée, où l’on fait usage de pressions élevées et de membranes fines.Les polluants collectés en phase de filtration, de nanofiltration et d’osmose inversée, sont filtrés au cours du traitement des boues, sous forme de boues filtrantes, via le réservoir primaire de traitement des eaux usées.L’eau parvient enfin à la dernière section de la station d’épuration, le réservoir de stockage des eaux traitées. C’est ici que l’on va prélever des échantillons d’eau, dont on va analyser la qualité. L’eau purifiée n’est transférée vers les filières d’eau claire et potable que lorsque les paramètres prescrits par la loi sont respectés.
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