Tout sur la pollution des eaux et boues

l'océan n'est pas une décharge. Le but d'un traitement physico-chimique est la séparation de liquides ou de solides. Dans les cours d'eau, la teneur en azote ammoniacal est corrélative à une pollution organique amenée par les égouts

Caractéristiques des eaux d'égout

c'est de l'eau à traiter

Par habitant, le débit moyen des eaux usées varie entre 180 et 250 litres/jour.

Caractère physico-chimique

Les eaux usées renferment des matières minérales (sables, limons ou carbonates, sulfates, chlorures) et organiques (déchets animaux, végétaux ou protéines).

La température est normalement plus élevée de quelques degrés que l'eau potable distribuée.
L'odeur est fade.

C'est une eau très trouble normalement grisâtre. Tout autre couleur indique la présence de lait, de sang, de colorant.

Caractère biologique

Les eaux usées contiennent tous les germes des matières fécales y compris les germes pathogènes. Les bactéries et le complexe enzymatique qui leur est associé, jouent un rôle essentiel dans les phénomènes d'épuration.

Inhibiteur

Les eaux ménagères ont à l'origine de certains apports de produits qui en quantité très faible, peuvent jouer un rôle très important, et souvent nocif, dans le déroulement des opérations d'épuration (détergents, hydrocarbures, etc.).

Les effets de la pollution sur les milieux aquatiques

  • phénomènes résultant de déversements excessifs de substances azotées et phosphorées (contribuant à l'eutrophisation)
  • phénomène de contamination bactérienne ou virale,
  • phénomène de toxicité aiguë (augmentant le taux de mortalité) ou toxicité différée (avec effets somatiques),
  • diminution du taux d'oxygène dissous dans les eaux naturelles (d'où diminution de la vie animale),
  • détérioration de la qualité sanitaire des eaux du milieu récepteur,
  • phénomènes d'altération du milieu : couleur, colmatage des lits, etc..

Pour caractériser un état de pollution, on cherche à déterminer la concentration des différents polluants par des séries de tests.

Critères analytiques de la pollution des eaux

Tests chimiques :

  • La DCO (Demande Chimique en Oxygène) est la quantité d'oxygène consommée par les matières contenues dans l'eau.
  • Le COT (Carbone Organique Totale) permet de déterminer le carbone total organique et minéral.
    L'oxydabilité au permanganate de potassium (KMnO4) permet de mesurer le degré de saturation des matières réductrices contenues dans l'eau de consommation.

Tests biologiques :

La DBO (Demande Biochimique en Oxygène) d'une eau représente la quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes pour réduire les matières organiques biodégradables et ce au bout d'un certain nombre de jours (5 en général).

Tests pour les composés insolubles :

  • La turbidité d 'une eau est due à la présence de matière en suspension dans l'eau, elles se mesure à l'aide d'un appareil appelé turbidimètre.
  • Les MEST (Matière En Suspension Totales) sont gênantes dans le milieu naturel car elle augmente la turbidité de l'eau, donc diminue la pénétration des rayons lumineux. Elles sont par ailleurs responsables du colmatage des lits de rivières.
  • Les MESO (Matière En Suspension Organiques) représentent la partie organique des MEST. Ces matières organiques consomment de l'O2 pour leur transformation.

Tests pour les composés toxiques :

Les tests daphnies utilise la daphnie (petit crustacé d'eau douce de dimension réduite - 1 à 2 mm). Par dilutions successives au moyen de composition déterminée, on définit le taux de dilution qu'il faut appliquer pour que 50% des daphnies soient encore mobiles après 24 heures ; une eau acide ou alcaline, une eau saline ou une eau sans oxygène est toxique pour la daphnie.

Tests pour la salinité :

Une eau pure conduit très mal le courant électrique, elle a une faible conductivité et donc une grande résistivité. La conductivité de l'eau va donc être proportionnelle à la salinité de cette dernière.

Le pH :

Plus on s'éloigne du pH neutre (pH=7), plus la vie biologique est difficile.

Les hydrocarbures :

Ils peuvent être toxique, créer un voile à la surface de l'eau empêchant les rayons lumineux de passer, engluer les ailes des oiseaux...

Les métaux lourds :

La majorité des métaux lourds sont des composés toxiques. Ils peuvent être analysés par absorption atomique.

Les phénols :

Ils sont toxiques du fait qu'ils ont un pouvoir réducteur et qu'ils confèrent à l'eau une certaine DBO. Une faible concentration en phénol rend la vie des poissons et des bactéries nitrifiantes difficile.

Les détergents

Créant des moussages qui diminuent la pénétration des rayons solaires, les détergents posent des problèmes d'exploitation des stations d'épuration et transfèrent des germes pathogènes.

Les pesticides

On appelle pesticides toute substance naturelle ou synthétique utilisée dans la lutte contre les nuisances humaines, animales et végétales à l'exclusion des médicaments.

Epuration et nettoyage de l'eau

de l'eau limpide et épurée

Les procédés physico-chimiques

Le but d'un traitement physico-chimique est la séparation liquide/liquide (élimination d'hydrocarbures, d'huiles ou de solvants contenus dans l'eau) ou solide/liquide (élimination des matières en suspension dans l'eau).

Dans la séparation physique, on distingue la décantation statique, la neutralisation, la floculation et la flottation.

La décantation

C'est un procédé permettant la séparation des particules en suspension dans l'eau. Son principe est basé sur l'action de la pesanteur sur les particules.

La neutralisation

Elle consiste à neutraliser des bases ou des acides en excès par un ajout d'acide ou de base. La législation impose un rejet dont le pH est compris entre 5,5 et 8,5.

La floculation

Elle a pour but de déstabilisation des particules colloïdales. Ces particules étant très fines et toutes chargées négativement, il y a répulsion des particules entre elles et donc stabilité de la suspension.
Le floculant a pour rôle de rompre cette stabilité en neutralisant les charges négatives et en donnant naissance à un agglomérat de particules.

Dans tous les cas, cette opération a pour but d'augmenter la densité des matières en suspension contenues dans l'eau afin d'accroître leur vitesse de chute (loi de STOKES).

La flottation

La flottation consiste à diminuer artificiellement la densité des particules contenues dans l'eau afin de les flotter et de les éliminer par raclage à la surface.

Ce procédé utilise la propriété qu'ont les particules en suspension de fixer des micro bulles d'air.

L'ensemble particule/air de densité inférieur à 1 va pouvoir être séparé à la surface de l'eau alors que les particules plus lourdes (densité>1) décantent en fond de cuve et sont extraites séparément.

Ce procédé est très utilisé en industrie pétrolière, pétrochimique et agroalimentaire où il donne en général de meilleurs résultats que la décantation.  

Epurations biologiques

Le but d'un traitement chimique est la séparation.

Les procédés aérobies

L'apport d'oxygène indispensable aux procédés peut être effectué soit par brassage (gerbe d'eau à la surface de l'aérateur), soit par apport direct d'air sur-pressé ou d'oxygène pur.

Principe de l'épuration biologique

La transformation des matières organiques d'une eau polluée résulte de l'activité biochimique des micro-organismes. Ceux-ci décomposent les matières organiques biodégradables et synthétisent le protoplasme de nouvelles cellules (reproduction).

Ces réaction se font à partir d'agents catalytiques : les enzymes sécrétés par les bactéries.

Les différents êtres vivants agissant dans l'épuration :

  • Les bactéries : c'est le peuplement le plus important, elles assurent la fonction épuratrice. On y distingue les autotrophes (assurent la subsistance aux dépens des matières minérales) et les hétérotrophes (assurent leur subsistance au dépens des matières organiques). Ce sont donc les hétérotrophes qui jouent le rôle essentiel dans une station d'épuration.
  • Les prédateurs : les protozoaires (s'attaquent aux bactéries libres qui inhibent une bonne floculation), les métazoaires (indice de bon fonctionnement de la station, c'est une faune d'eau propre car sensible aux toxiques), les nématodes (petits vers témoins d'une boue vieille).
  • Les champignons : ils ont le même besoin nutritionnel que les bactéries et vivent sur des résidus végétaux. Assez rares, ils sont témoins d'une mauvaise marche de la station.
  • Les algues : elles ont besoin de lumière ce qui est exceptionnellement réalisé (excepté en lagune).

les procédés anaérobies

La fermentation anaérobie permet de réduire la pollution carbonée des eaux exprimée en DCO et en DBO, ceci en développant des cultures de bactéries anaérobies (vivant en absence stricte d'oxygène).

Le procédé conduit essentiellement à la production en phase ultime de méthane (CH4) et de gaz carbonique (CO2).

Principales réactions dans le réacteur biologique

Une hydrolyse et une acidification des effluents permet la transformation des molécules longues en monomère puis en acides gras volatiles (AGV) sous forme d'acétate, propionate, butyrate…Cette première transformation produit également de l'hydrogène et du gaz carbonique.

L'acétogénèse et la production d'acétate à partir des différents acides gras volatiles. Cette étape est fondamentale pour la transformation des composés organiques en méthane.

La production de méthane se fait par deux voies mettant en jeu des familles de bactéries différentes. D'une part, le CO2 et l'hydrogène sont combinés pour donner du méthane et de l'eau par les bactéries méthanogènes hydrogènophiles. D'autre part, les acétates sont transformés en méthane et gaz carbonique par des bactéries méthanogènes dites acétoclastiques. C'est cette dernière qui impose la cinétique globale.

Quand et pourquoi choisir les traitements anaérobies

Avantages :

  • Les deux principaux avantages des traitements anaérobies sont sans doute la faible production de boues en excès (environ 3 à 5% de la DCO) et la faible consommation en énergie du traitement.
  • La récupération d'énergie est également un avantage réel lorsque le biogaz est réutilisé pour être brûlé dans des chaudières.

Les bactéries anaérobies sont également très stables en cas d'arrêt prolongé (plusieurs mois) et ne présentent pas de perte d'activité significative tant qu'elles sont stockées en milieu réducteur.

Inconvénients

  • La croissance lente des bactéries engendrant des conditions de démarrage difficiles est un inconvénient.
  • Les conditions opératoires strictes engendrent des contraintes d'exploitation qui peuvent rebuter l'utilisateur final.
  • Le système n'a pratiquement pas d'effet sur la réduction en azote.

Traitement de l'azote

la plage du Loc'h à Plogoff

Dans les cours d'eau, la teneur en azote ammoniacal est corrélative à une pollution organique amenée par les égouts.

Le phénomène de nitrification tend à appauvrir les cours d'eau en oxygène.Par contre, les nitrates peuvent recéder leur oxygène par dénitrification.

Principe de nitrification

Dans les réaction de nitrification / dénitrification, les bactéries hétérotrophes se nourrissent de matières organiques et les bactéries autotrophes se nourrissent de matières minérales. Ainsi,le CO2 formé par les hétérotrophes lors de l'oxydation de la matière organique est utilisé par les autotrophes.

Divers paramètres ont une influence prépondérante sur les Les réactions de nitrification demandent de respecter divers paramètres : température (entre 15 et 20°C), concentration en O2 (0,3 mg/l), pH (6), charge massique (faible), âge des boues (4jours).

Principe de dénitrification

La dénitrification est la réduction des nitrates essentiellement en azote gazeux (N2) ; elle se fait en milieu anaérobie où les nitrates formés précédemment jouent le rôle d'oxydant. L'énergie nécessaire à la synthèse cellulaire est fournie par la réaction.

(Matière organique) + NO3 => CO2 + H2O + N2

La dénitrification biologique est réalisée par un groupe de bactéries hétérotrophes qui sont capables d'utiliser les nitrates (formés lors des réactions de nitrification) comme source d'oxygène. Une telle réaction peut se produire spontanément quand on se trouve en phase de respiration endogène des boues, mais il est généralement nécessaire de fournir un apport supplémentaire de source carbonée pour atteindre un taux de dénitrification convenable.

Un bon taux de dénitrification requiert une température idéale comprise entre 18 et 24°C et un pH aux alentours de 7 à 8.

Traitement des boues

En fonction de leur origine et leur qualité, les boues appartiennent à l'un des quatre groupes suivants :

  • Boues hydrophiles : ces boues sont très hydratées, elles seront forcément difficiles à traiter car généralement très diluées, elles renferment une quantité d'eau liée importante (boue provenant d'un traitement d'eau potable).

  • Boues huileuses : ce sont des boues riches en huiles, hydrocarbures, graisses minérales, végétales ou animales(rencontrées dans le raffinage, la pétrochimie, les huileries, les ateliers mécaniques …).

  • Boues hydrophobes : ces boues contiennent de faibles quantités d'eau liée, boues essentiellement minérales faciles à traiter (boues provenant de cristallisation de sels, boues de dessablage, boues de décarbonatation…).

  • Boues fibreuses : boues provenant de l'industrie papetière, elles sont riches en fibres cellulosiques et faciles à déshydrater.

Epaississement des boues

C'est très souvent le premier stade d'un traitement de boues, il sert de stockage tampon. La suspension boueuse est admise dans un décanteur, un temps de séjour élevé permet un tassement de la boue.

Conditionnement des boues

Le conditionnement a pour but de rendre la boue plus facilement décantable, drainable, filtrable ou centrifugeable.

Le conditionnement résulte de l'addition de charges inertes (sciures, fibre, cendre), de floculant minéral ou organique ou d'une cuisson des boues à température élevée.

Déshydratation

La déshydratation s'opère par voie naturelle (soleil) ou par voie mécanique (filtration sous pression).

Séchage et incinération

Le séchage consiste à éliminer par évaporation l'eau restant dans la boue après déshydratation.
L'incinération permet non seulement l'élimination de l'eau résiduelle mais aussi la combustion des matières organiques.

Un traitement des fumées issues de l'incinérateur est souvent nécessaire. Ces fumées sont épurés par un filtre humide, elles ont alors dépoussiérées et neutralisées.