EAU Approvisionnement et traitement

Traitement des eaux usées urbaines

Les eaux résiduaires urbaines charrient des objets grossiers, des matières minérales en suspension enduites de matières organiques putrescibles, des particules organiques de faible dimension, des matières organiques dissoutes, des substances azotées (azote organique, ammoniaque) et phosphorées (orthophosphates) et des sels minéraux. En leur sein pullulent une faune et une flore de micro-organismes pathogènes ou saprophytes, des algues, des protozoaires, etc. Elles constituent un excellent milieu de culture bien équilibré en éléments nutritifs (carbone, azote, phosphore). Cette capacité spontanée de développement d'une activité biologique intense est utilisée avec des variantes diverses dans les stades dits biologiques, soit en condition oxygénée (aérobie), soit en absence d'oxygène et de nitrates (anaérobie) ou en absebce d'oxygène et en présence de nitrates (anoxie). Les teneurs en charges « polluantes » sont variables du simple au double. Pour fixer un ordre de grandeur, elles représentent en moyenne 1 300 grammes de matières par mètre cube dont 400 g/m³ sont décantables aisément et 600 g/m³ sont dissoutes. La proportion de matières organiques est de l'ordre de 70 p. 100. On conçoit pourquoi les processus d'épuration biologique jouent un rôle prépondérant dans le traitement des eaux usées urbaines.

Selon le niveau de traitement souhaité, une épuration des eaux usées urbaines nécessite l'élimination :

– de la pollution particulaire (matières en suspension, colloïdes) par des procédés de séparation liquide-solide (dégrillage, tamisage, flottation, décantation avec ou sans ajout de réactifs chimiques, filtration...) ;

– de la pollution organique biodégradable (dissoute et particulaire) par des procédés biologiques ;

– de la pollution azotée par la mise en œuvre de réacteurs biologiques de nitrification et de dénitrification ;

– de la pollution phosphorée par voie physico-chimique (précipitation par un sel de fer) ou par voie biologique ;

– des agents pathogènes (bactéries, virus, protozoaires...), si la réglementation l'impose (rejet en zones de baignades, en zones ostréicoles...), par des opérations de décantation, filtration, lagunage ou de désinfection.

Les stations d'épuration classiques

Pour les agglomérations de plus de 2 000 habitants, l'assainissement collectif est classiquement effectué par des stations d'épuration comportant les étapes successives suivantes :

– Les prétraitements permettent d'extraire des éléments qui pourraient endommager les pompes, obstruer les canalisations ou se déposer au fond des ouvrages ou sur les parois (dégrillage, tamisage, dessablage et dégraissage).

– La décantation primaire (non pratiquée sur toutes les stations) élimine environ 50 p. 100 des matières en suspension sans ajout de réactifs chimiques.

– Le traitement biologique, destiné à éliminer la pollution organique biodégradable grâce aux micro-organismes (biomasse), est constitué par un ou plusieurs réacteurs en série (cf. Principe du traitement biologique). Pour une station assurant une épuration poussée des effluents, le traitement biologique comprend un réacteur anaérobie suivi soit d'un réacteur unique à aération séquencée afin d'obtenir une alternance de phases aérobie et anoxique, soit d'une succession de réacteurs anoxiques et aérés. La concentration en biomasse des réacteurs est de l'ordre de 2 à 4 g/l, le temps de séjour de l'eau de l'ordre de 24 heures et celui de la biomasse compris entre 10 et 20 jours.

– La décantation secondaire (également appelée clarification) a pour rôle d'assurer la séparation des particules en suspension (biomasse, matières en suspension minérales et matières organiques en suspension non biodégradables) et l'eau, avec un rendement supérieur à 99-99,5 p. 100 afin de garantir une concentration en matières en suspension dans l'eau épurée inférieure à la concentration maximale autorisée (35 mg/l). Les particules se déposant au fond du décanteur forment une boue, dont une partie est recyclée dans les réacteurs biologiques, afin d'y maintenir une concentration suffisante en biomasse, l'autre étant dirigée vers la filière de traitement des boues résiduaires. Cette production de boues est de l'ordre de 50 à 70 g (en poids sec) par habitant et par jour.

Pour les petites collectivités (< 2 000 habitants), lorsque l'assainissement est collectif (ou semi-collectif), l'épuration des eaux usées est en général réalisée par des procédés dits extensifs comme l'épandage souterrain, les techniques d'infiltration-percolation à travers des filtres à sable enterrés ou des filtres à sable plantés de roseaux et l'épuration par lagunage naturel, qui associe un développement équilibré de micro-organismes et d'algues, ces dernières apportant l'oxygène nécessaire aux bactéries grâce aux mécanismes de la photosynthèse.

L'assainissement non collectif (ou autonome) est souvent pratiqué. Les eaux ménagères et les eaux vannes sont alors mélangées et récupérées dans une fosse dite « fosse toutes eaux », puis traitées par différents procédés (le plus fréquemment par épandage souterrain).

Le principe du traitement biologique

L' épuration biologique des eaux usées peut être mise en œuvre dans des réacteurs à biomasse libre (réacteurs dits à « boues activées », lagunage naturel ou aéré), où les micro-organismes se développent en suspension dans l'eau (boues activées), ou encore dans des réacteurs à biomasse fixée dans lesquels les micro-organismes se développent sur un support grossier ou sur un garnissage plastique (lits bactériens), sur des disques (disques biologiques) ou sur un matériau fin immergé (biofiltration). Dans tous ces réacteurs biologiques, les mécanismes d'élimination des pollutions organique, azotée et phosphorée reposent sur les mêmes principes.

L' élimination de la pollution organique biodégradable (dissoute et particulaire) par voie biologique est effectuée par des bactéries hétérotrophes (bactéries qui utilisent les composés organiques somme source de carbone) sous apport d'oxygène. La pollution organique est alors transformée en dioxyde de carbone et en nouvelles matières solides (biomasse vivante et résidus de micro-organismes), qui seront ensuite séparées de l'eau épurée par décantation ou par filtration membranaire. Les procédés anaérobies d'élimination de la pollution organique, qui conduisent à la production d'un biogaz (méthane et dioxyde de carbone), sont principalement utilisés pour l'épuration d'eaux résiduaires industrielles fortement chargés en composés organiques ou pour le traitement des boues d'épuration.

En ce qui concerne la pollution azotée, environ 10 à 30 p. 100 de l'azote est assimilé par la biomasse et se retrouve incorporé dans les boues d'épuration. Pour les rejets en zones sensibles, les textes réglementaires prescrivent des pourcentages d'abattement de 70 à 80 p. 100 pour l'azote. L'élimination de l'azote non assimilé nécessite alors deux étapes, la nitrification puis la dénitrification, faisant intervenir des flores bactériennes distinctes. La nitrification, qui consiste en la transformation de l'azote ammoniacal en nitrite puis en nitrate, est réalisée en milieu aérobie par une flore bactérienne nitrifiante autotrophe (bactéries utilisant du carbone minéral pour la synthèse de biomolécules). La dénitrification permet une diminution de la teneur en azote global grâce à la transformation du nitrate en diazote gazeux, par des bactéries hétérotrophes en milieu anoxique. Elle nécessite une source de carbone organique biodégradable.

Comme l'azote, le phosphore n'est que partiellement éliminé par les procédés biologiques conventionnels (rendements < 20 p. 100). L'élimination plus poussée du phosphore peut être assurée soit par voie physico-chimique (précipitation par un sel de fer), soit par voie biologique spécifique. La déphosphatation physico-chimique est efficace, facile à mettre en œuvre, mais présente l'inconvénient d'augmenter la production de boues. La déphosphatation biologique est obtenue en favorisant le développement de bactéries qui ont la propriété d'accumuler par stockage intracellulaire de grandes quantités de phosphore (jusqu'à 10 p. 100 de leur poids sec contre 1,5 à 2 p. 100 pour les micro-organismes classiques). La condition essentielle pour le développement des bactéries déphosphatantes est le passage des boues activées dans une zone anaérobie puis dans une zone aérobie.

Nouveaux procédés de traitement des eaux usées

Le parc des stations d'épuration des grandes agglomérations est majoritairement représenté par les stations d'épuration classiques dites « à boues activées ». La plupart de ces stations ont été rénovées afin de répondre aux exigences concernant les pollutions azotée et phosphorée. Bien que très efficace, ce type de stations présente quelques inconvénients comme la faible concentration en biomasse qui conduit à une forte emprise au sol, la faible aptitude aux variations de charge et les problèmes de fiabilité de la clarification face aux fluctuations de la décantabilité des boues. Pour pallier ces inconvénients, les travaux de recherche entrepris dans les années 1980 ont abouti à la mise au point de nouveaux réacteurs biologiques actuellement en plein essor : les biofiltres et les réacteurs biologiques à membranes. Ces procédés permettent, en particulier, de réduire l'emprise au sol par la suppression du clarificateur et avec des réacteurs biologiques plus compacts, généralement 3 à 4 fois moins volumineux que les réacteurs à boues activées.

La biofiltration est un procédé à biomasse fixée qui permet de réaliser dans le même réacteur l'épuration biologique et la clarification des eaux. Les micro-organismes se développent sur un matériau support (argile cuite, schistes, pouzzolane, charbons, billes de polystyrène...) de granulométrie assez faible (2 à 6 mm) pour avoir une bonne surface d'échange et un bon pouvoir filtrant. Selon le type de matériau, la filtration de l'eau peut être ascendante ou descendante. Les biofiltres aérobies comportent un dispositif d'injection d'air à la base et sont utilisés pour l'élimination de la pollution organique, pour la nitrification ou pour un traitement d'affinage (traitement tertiaire). Les biofiltres anoxiques, quant à eux, servent à la dénitrification. Afin de limiter le colmatage prématuré des biofiltres, une élimination poussée des matières en suspension doit être réalisée en amont, par un traitement physico-chimique (décantation avec ajout de coagulants). L'élimination de la biomasse formée lors de l'épuration biologique et des matières en suspension présentes impose un lavage périodique des biofiltres (en général, une fois par jour).

Comme pour les eaux potables, une avancée importante dans le traitement des eaux usées a été obtenue par l'emploi de membranes poreuses pour la rétention des matières en suspension. Les bioréacteurs à membranes comportent des réacteurs à boues activées et une filtration membranaire pour la séparation liquide-solides. La distinction entre les différents procédés se fait par le positionnement des membranes par rapport aux réacteurs de boues activées (membranes placées à l'extérieur des réacteurs biologiques ou totalement immergées dans les réacteurs biologiques) et par le type de membranes (fibres creuses ou plaques). L'intérêt de cette technique réside dans la très bonne qualité des eaux traitées en termes physico-chimiques comme de la qualité microbiologique (normes eaux de baignade). Un exemple de réalisation d'un bioréacteur à membranes pour l'épuration des eaux usées urbaines est la station d'épuration du Guilvinec dans le Finistère (26 000 habitants), mise en service en 2004 et qui met en œuvre 7 200 plaques membranaires d'un surface totale de 5 760 m².

Les eaux usées, ayant subi un traitement par boues activées ou par biofiltration, restent toutefois fortement polluées par des micro-organismes pathogènes : bactéries, virus, parasites (protozoaires), champignons et levures. La désinfection des eaux usées n'est pas encore à l'ordre du jour des autorités sanitaires et n'apparaît pas dans les prescriptions relatives à la qualité des rejets. Cette désinfection peut cependant être exigée dans certains cas très particuliers comme les rejets en zone de baignade en zones conchylicole et ostréicole, ou encore la réutilisation en irrigation des eaux usées traitées. On peut envisager l'emploi du lagunage tertiaire pour les petites collectivités, de la désinfection par des réactifs chimiques comme l'ozonation et la chloration. Cette dernière, qui est tout à fait efficace, présente, on l'a vu, l'inconvénient de rejeter dans le milieu récepteur des composés organo-halogénés (chloramines, haloformes) pouvant être toxiques pour la faune et la flore. Parmi les autres procédés, l'irradiation par rayonnement ultraviolet est en plein développement en raison de l'absence de sous-produits de réaction et de la simplicité de sa mise en œuvre. Enfin, comme il a été dit, les procédés membranaires, avec une porosité convenable sont appelés à un grand développement.

Traitement des boues

Les évolutions de la réglementation ont augmenté encore le poids du volet traitement des boues des stations d'épuration. Dorénavant, les boues sont considérées comme des déchets qui doivent être détruits ou valorisés par un emploi final utile et sans nuisances. Les boues, initialement très liquides, chargées de matières putrescibles, malodorantes et pathogènes, ne peuvent être utilisées en l'état. Les deux voies de valorisation sont l'épandage en agriculture et la réduction en résidus minéraux destinés à être incorporés dans les matériaux de travaux publics. Cette seconde voie est également celle qu'ouvre la co-incinération avec les ordures ménagères jusqu'à l'état de mâchefer.

Quelle que soit leur destination finale, les boues d'épuration doivent avant tout être traitées, c'est-à-dire conditionnées ou stabilisées (par voie chimique et/ou biologique) et déshydratées. Une douzaine de types de filières sont mises en œuvre et font appel à la combinaison de processus unitaires : épaississement statique ou dynamique ; déshydratation par centrifugation ou filtration ; séchage ; stabilisation de boues liquides par voie biologique (digestion anaérobie ou aérobie) ; stabilisation des boues liquides par voie chimique ; stabilisation de boues pâteuses par compostage ou par chaulage ; oxydation par voie humide des boues épaissies. L'optimisation de la filière à choisir exige une étude technico-économique fine qui doit intégrer les nombreux paramètres en cause dans chaque cas particulier.

Pour l'emploi en agriculture comme fertilisants, la réglementation française, comme les directives européennes, imposent des règles strictes pour l'emploi des boues en agriculture comme fertilisants. Il faut notamment tenir compte de la nature des sols à fertiliser et de la composition des boues (en particulier des teneurs en métaux lourds). Suivant les circonstances locales, la fertilisation peut faire appel aux boues sous toutes les formes : liquide, pâteuse, solide.

Incidence des eaux pluviales

Les réseaux de collecte des eaux usées sont principalement de deux types : les réseaux séparatifs où les eaux usées urbaines sont totalement séparées des eaux pluviales (qui s'évacuent par ruissellement naturel ou dans un réseau pluvial séparé), et les réseaux unitaires où les eaux pluviales pénètrent dans le réseau de collecte des eaux usées domestiques. Ce dernier, pour éviter les débordements par les bouches d'égout, est pourvu de déversoirs, le débit maximal étant ainsi limité à trois fois le débit par temps sec (débit maximal des eaux usées proprement dites). Depuis la loi française sur l'eau de 1992 et la directive européenne, il est prescrit de prendre en considération les perturbations apportées aux stations par les débits de pluie ainsi que la pollution apportée au milieu récepteur par les débits provenant des déversoirs d'orage. Cela oblige à un surdimensionnement des capacités de traitement et à une modification des conditions d'exploitation des stations (par exemple, réserver en permanence une disponibilité supplémentaire de boues activées). Par ailleurs, il faut maintenant prévoir des bassins de retenue pour les débits apportés par les déversoirs d'orage de façon à moduler les débits de pointe des eaux pluviales avant leur admission dans le milieu naturel. Dans le cas de milieux sensibles, des traitements simples (décantation lamellaire) des flots pluviaux doivent être rajoutés.

Réutilisation des eaux usées

Les eaux de captage sont en fait des eaux qui ont déjà été utilisées et qui ont été rejetées dans le milieu naturel où elles ont réintégré le cycle hydrologique naturel. Dans les régions souffrant d'une pénurie grave de ressources (Californie, Afrique du Sud, Singapour, Moyen-Orient...) l'idée d'un recyclage court, allant jusqu'au concept « d'émissaire d'eau usée à conduite d'adduction », préoccupe les responsables depuis les années 1980. Le recyclage total mis en œuvre dans les satellites habités montre qu'il est techniquement possible. Le problème à résoudre est l'obtention du résultat à grande échelle et dans des conditions économiques acceptables. Deux voies principales sont explorées. L'une consiste à rechercher des économies d'eau de qualité en trouvant aux eaux usées, après un traitement simplifié et peu onéreux, une utilisation assurée auparavant par des ressources naturelles (irrigation, eaux industrielles, lavage, refroidissement...). L'autre vise la « fabrication » d'eau potable à partir de traitements sophistiqués. Dans le premier cas, après traitement, l'eau est soumise à un stockage prolongé, voire à une désinfection (cas de l'irrigation) ou encore à une réinfiltration dans un sol adéquat qui réalimentera une nappe phréatique. Dans le second cas, l'utilisation en série de membranes de porosité de plus en plus fine, a permis des avancées significatives.