Traitement des eaux usées et qualité de l'eau

Traitement des eaux usées

• Le traitement des eaux usées vise à éliminer les polluants de manière efficace et économique avant de les rejeter.
• L'eau domestique ou industrielle, lorsqu'elle est mélangée à des matières indésirables, devient impropre à la consommation jusqu'à ce que les contaminants soient éliminés.
• Au Canada, les rejets industriels typiques comprennent l'eau de purge des tours de refroidissement, le ruissellement des eaux pluviales, l'eau de purge des chaudières, l'eau de procédé et les pesticides agricoles.

Paramètres affectant la qualité de l'eau

• Les eaux usées contiennent divers produits chimiques toxiques pour la santé humaine.
• Des produits chimiques tels que le cadmium (0,005 mg/L), le benzène (0,005 mg/L), le malathion (0,019 mg/L), le chrome (0,05 mg/L) et le plomb (0,010 mg/L) ont des concentrations maximales autorisées.
• Le pH des eaux usées doit être maintenu entre 6,5 (acide) et 8,5 (basique). Un pH hors de ces limites peut nuire à la vie aquatique.
• La température et les niveaux d'oxygène influencent la qualité de l'eau et doivent être surveillés pour respecter les normes environnementales avant le rejet.

Niveaux d'oxygène dans les eaux usées

• La demande biochimique en oxygène (DBO) mesure la consommation d'oxygène par les micro-organismes à 20°C pour décomposer les déchets organiques, indiquant la charge organique.
• La demande chimique en oxygène (DCO) mesure la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement les substances dans l'eau.
• Des niveaux élevés de DBO et de DCO peuvent réduire l'oxygène disponible, nuisant aux poissons et aux plantes aquatiques.
• Maintenir des niveaux d'oxygène adéquats est crucial pour la vie aquatique, nécessitant des systèmes de traitement réduisant efficacement la DBO et la DCO avant le rejet.

Gestion de la température des eaux usées

• La température affect la capacité de l'eau à retenir l'oxygène dissous.
• L'eau à haute température ne doit pas être rejetée dans les eaux réceptrices. Cela peut entraîner une désaération de l'eau qui augmente la demande en oxygène.
• Des bassins de rétention permettent de refroidir l'eau avant son rejet dans l'environnement.
• De longs canaux sinueux permettent également de refroidir l'eau, car l'eau parcourt plusieurs kilomètres avant d'être assez froide pour être rejetée dans le cours d'eau récepteur.
• Des tours de refroidissement peuvent être utilisées en l'absence de terrains pour installer un bassin ou un canal.
• L'eau est pompée en haut de la tour et refroidie par évaporation, ce qui augmente sa teneur en oxygène dissous.

Législation et réglementation environnementale

• Les directives nationales pour la protection de l'environnement, y compris la gestion des eaux usées, sont établies par le Conseil canadien des ministres de l'environnement (CCME).
• Les Recommandations canadiennes pour la qualité de l'environnement (CEQG) fournissent des lignes directrices scientifiques pour protéger les écosystèmes aquatiques et terrestres.
• Les normes spécifiques pour les installations de traitement des eaux usées sont définies dans les Recommandations canadiennes pour la qualité de l'eau (CWQG).
• L'Agence américaine de protection de l'environnement (US EPA) établit des normes qui influencent les pratiques canadiennes en matière de traitement des eaux usées.

Usine industrielle de traitement des eaux usées

• Un système de traitement des eaux usées typique dans une usine industrielle de petite taille comprend un système de collecte, un bassin de séparation huile/eau, une fosse de torche, un bassin de stabilisation, des réservoirs d'aération et des clarificateurs.
• La conception spécifique d'une usine de traitement des eaux usées dépend des besoins de l'installation et des contaminants à traiter.

Système de collecte des eaux usées

• Les eaux usées proviennent de toutes les parties de l'usine, y compris des processus de fabrication, des installations sanitaires et d'autres sources.
• Les eaux usées sont évacuées par gravité vers le bassin de séparation huile/eau. La tuyauterie doit être de taille adéquate pour gérer le débit des différents bâtiments.
• Si l'usine n'est pas sur une pente, des pompes élévatoires peuvent être nécessaires pour déplacer les eaux usées des réservoirs collecteurs vers le bassin de séparation huile/eau.

Bassin de séparation d'huile/eau

• L'huile et l'écume sont séparées par flottaison à la surface du bassin, puis écrémées et dirigées vers la fosse de la torche.
• Les matières lourdes se déposent au fond du bassin grâce à la décantation gravitationnelle, ce qui favorise leur séparation du reste des eaux usées.
• L'effluent est extrait à mi-chemin entre la surface et le fond du bassin pour éviter de collecter des matières flottantes ou des sédiments.
• Le bassin doit être suffisamment grand pour retenir l'eau pendant 2 à 4 jours afin d'effectuer une séparation efficace des différentes phases.

Fosse de la torche et bassin de stabilisation

• Les hydrocarbures récupérés par le séparateur huile-eau sont brûlés dans la fosse de torche avec un système de brûleur qui assure une combustion complète, minimisant ainsi les émissions.
• L'effluent du bassin de séparation huile/eau est dirigé vers le bassin de stabilisation, dimensionné afin de contenir environ l'évacuation d'un mois de l'usine, permettant un traitement prolongé.
• De l'air comprimé est insufflé dans le bassin par des diffuseurs pour favoriser l'activité bactérienne.

Réchauffeur et réservoir d'aération primaire

• Les eaux usées du réchauffeur sont versées dans le réservoir d'aération primaire. Le réchauffeur permet d'optimiser la température pour les processus biologiques suivants.
• La boue activée (riche en micro-organismes) est mélangée à la décharge du réchauffeur. Un film biologique de microorganismes se développe sur la surface des feuilles. Ces microorganismes consomment les matières organiques lors de l'immersion, puis absorbent l'oxygène nécessaire à leur métabolisme lors de l'exposition à l'air.
• Les eaux usées y séjournent de trois à six heures pour permettre aux micro-organismes de commencer à dégrader les matières organiques.
• Des diffuseurs au fond du réservoir aèrent et mélangent continuellement les eaux usées, fournissant ainsi l'oxygène nécessaire aux micro-organismes aérobies.

Réservoir d'aération secondaire et clarificateurs

• L'écoulement entre dans un ou plusieurs réservoirs d'aération de deuxième étape où l'aération et la décomposition organique se poursuivent. Les eaux usées y séjournent environ deux jours.
• Un tuyau à boue au fond du clarificateur enlève une portion de la boue activée et la retourne au réservoir de première étape où les microorganismes continuent à décomposer la matière organique.
• L'eau claire du clarificateur s'écoule vers le bassin tertiaire où le réglage final de l'eau prend plusieurs jours avant que l'eau ne soit envoyée à la sortie du système.

Élimination des particules abrasives

• Les particules abrasives, comme le sable, se déposent lorsque l'eau ralentit et peuvent endommager l'équipement. Il est donc important de les éliminer.
• Une chambre à particules abrasives spéciale permet de les collecter pour qu'elles se décantent dans un collecteur conique au fond. Elles sont extraites par différents moyens mécaniques.
• Les petites quantités sont nettoyées une ou deux fois par an à l'aide d'un camion à vide. Pour les quantités plus importantes, une vis sans fin hélicoïdale ou un transporteur à chaîne à godets sont utilisés pour soulever les particules.
• Si une grande quantité de matières organiques est présente dans ces particules, elles sont lavées avant d'être envoyées vers un site d'enfouissement.

Tamis et dilacérateurs pour le traitement des eaux usées

• Les grilles à barreaux composées de barres en acier retiennent les matières volumineuses. Elles sont nettoyées manuellement pour de faibles quantités de matière et mécaniquement pour d'importantes quantités de matière.
• Un dilacérateur vertical possède un dilacérateur rapide qui traverse la grille, réduisant ainsi les matières accumulées en de petits morceaux pour faciliter le traitement ultérieur.
• Un dilacérateur Comminutor dans les cribles rotatifs à déchets accumule les matières sur la paroi du crible. Ces matières, si elles contiennent beaucoup de matières organiques, sont déchiquetées au lieu d'être retirées.

Flottation et sédimentation dans le traitement des eaux

• La gravité aide à séparer les matières solides en suspension dans les eaux usées.
• Très fines bulles d'air obligent les matières flottantes à monter à la surface du réservoir, où elles sont écumées.
• L'effluent clair est retourné dans un réservoir sous pression rempli d'air dissous.
• Lors de la dépressurisation, l'air forme de minuscules bulles qui se collent aux matières en suspension.
• Les bulles font monter les matières en haut du réservoir. La boue concentrée est ensuite écumée à l'aide d'un écumoire qui se déplace lentement.
• La boue concentrée est ensuite envoyée vers un procédé de séchage ou directement éliminée.

Traitement des matières colloïdales

• Les particules colloïdales sont microscopiques, mesurant entre 5 et 5 000 ångströms (1 ångström = 0,000 0001 mm).
• En raison de leur petite taille, ces particules ne se déposent pas et ne flottent pas.
• L'élimination est essentielle si la concentration est élevée, en particulier avec les particules organiques ou colloïdales siliceuses.

Processus de floculation des eaux usées

• Les particules de même charge se repoussent dans les eaux usées, et leur flottation devient difficile.
• La floculation consiste à neutraliser les charges ou à attirer les particules. Les particules peuvent donc être collectées.
• Le fer et les sels d'aluminium, tels que l'alun (sulfate d'aluminium), sont utilisés pour favoriser.

Coagulation des eaux usées

• Les chaînes de polymères chimiques appelées polyélectrolytes peuvent être utilisées pour renforcer les flocons.
• Les flocons plus lourds et plus solides se décantent plus facilement, ce qui facilite la séparation de l'eau.
• Du mordant et des polymères sont rapidement ajoutés et mélangés pendant quelques minutes. Une quinzaine de minutes sont ensuite nécessaires à la formation de paillettes et environ quatre heures à la sédimentation.

Fonctionnement d'un clarificateur

• L'effluent mélangé des réservoirs d'aération pénètre dans le clarificateur avec une chicane qui empêche l'affluent de s'écouler directement vers l'effluent, assurant un temps de séjour adéquat.
• La gravité fait que la boue se dépose au fond du bassin, où elle est rassemblée par des bras collecteurs rotatifs.
• L'eau claire est récupérée au sommet du clarificateur, formant ainsi l'effluent qui poursuit son chemin vers d'autres étapes de traitement.
• Une partie de la boue est recyclée vers les réservoirs d'aération sous forme de boues activées, tandis que l'excédent est envoyé vers l'assèchement ou l'élimination directe.

Élimination biologique des matières solides

• La boue activée est introduite dans les réservoirs d'aération en même temps que l'air. Les bactéries qui s'y trouvent se nourrissent de matières organiques et les transforment en gaz carbonique et en eau. La masse biologique qui s'accumule au fond des clarificateurs contient des bactéries actives qui sont partiellement recyclées.
• Les microorganismes se développent dans le film biologique des contacteurs biologiques rotatifs. En alternant l'immersion dans les eaux usées et l'exposition à l'air libre, matière organique est efficacement dégradée.
• Les microorganismes se développent dans les filtres bactériens sur les milieux perméables.

Contacteurs biologiques rotatifs

• Les contacteurs biologiques rotatifs (CBR) abaissent la concentration de DBO dans l'effluent liquide.
• Le contacteur se compose d'une série de disques à partir de feuilles de plastique en forme de tarte de deux mètres de long.
• L'arbre portant les disques est monté au-dessus des eaux usées afin que la moitié du contacteur soit exposée à l'air. L'appareil tourne lentement, à un ou deux tours par minute, en immergeant et en exposant les disques.
• Les matières organiques sont dégradées ainsi qu'elles absorbent l'oxygène nécessaire à leur activité métabolique.

Filtres bactériens pour le traitement des eaux usées

• Les filtres bactériens consistent en un milieu perméable sur lequel les eaux usées s'écoulent goutte à goutte, tel qu'un lit de pierre, de scorie ou de plastique. Les lits conventionnels peuvent atteindre 70 m de diamètre et entre 1 et 3 m de profondeur et sont constitués de pierres de 25 à 100 mm.
• Une population de micro-organismes fixés au milieu (protozoaires, algues et moisissures) absorbe les matières organiques. Les organismes aérobies dans la couche externe dégradent les organiques, tandis que les organismes anaérobies se développent plus en profondeur.
• Le système comprend un système de ventilation pour fournir l'oxygène nécessaire au bon fonctionnement du filtre, ainsi qu'un système de collecte des matériaux solides détachés et de l'eau traitée..

Digesteurs anaérobies

• Les digesteurs doivent être chauffés à 37 °C.
• La température est idéale pour l'activité des bactéries qui décomposent la matière organique.
• La digestion anaérobie prend environ 25 jours. Le processus peut ensuite être utilisé avec d'autres traitements pour décomposer plus complètement la matière organique.
• Le gaz produit peut être utilisé pour chauffer le procédé.
• L'électricité dans un système de cogénération peut être produite par l'excès qui alimente les moteurs à combustion interne.

Stratégie de régulation des usines de traitement

• Le type d'installation influence les processus d'exploitation. Il existe de légères variations de réglage, si elle fonctionne en régime stable toute l'année. D'importants ajustements sont nécessaires si les opérations sont saisonnières ou à charge variable.
• L'écoulement modifie le rapport entre les matières organiques et inorganiques, en admettant de l'eau pluviale ou de la neige fondue de l'écoulement.
• Une usine de transformation des eaux usées est comme une « ferme à insectes». Pour un traitement efficace, il est essentiel d'avoir une population de microorganismes dans les eaux usées.

Points d'échantillonnage et analyse des substances nutritives

• L'échantillonnage habituel est situé à la fin d'un procédé. Des échantillons sont prélevés afin de vérifier si les conditions souhaitées ont été atteintes. L'établissement des conditions réelles du réseau nécessite des échantillons réguliers sur une période donnée.
• Les bactéries qui se trouvent dans la zone anaérobie libèrent du phosphore emmagasiné. L'élimination biologique du phosphore nécessite cette étape. Le nutriment est très important car cela peut favoriser l'eutrophisation.
• La dénitratation des bactéries dans la zone anoxique modifie le nitrate (NO3) en azote gazeux (N2), qui s'échappe dans l'atmosphère, ce qui diminue la charge d'azote dans les effluents.
• Les bactéries réduisent l'ammoniac (NH3) en nitrite. Avec ce processus les bactéries transforment l'ammoniac, toxique pour la vie aquatique en nitrates (NO3).

Mesure de la demande en oxygène

• L'essai de demande biologique en oxygène (DBO) mesure la quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes aérobies pour décomposer la matière organique. La demande chimique en oxygène (DCO) mesure la quantité d'oxygène nécessaire pour dégrader chimiquement les composés organiques des eaux usées.
• Pour le test de la DBO, une quantité d'échantillon mesurée est placée dans une bouteille contenant de l'eau tamponnée riche en nutriments. La consommation d'oxygène est déterminée à l'aide d'un manomètre à mercure pendant 5 jours d'incubation à 20°C. La DBO en mg/L peut-être vérifiée en mesurant la réduction de la pression dans la bouteille, ce qui fait monter la DBO dans le Manomètre.

Contrôle du pH et décantabilité des boues

• Le pH peut varier en raison des conditions et des températures à chaque étape du traitement. L'ajout de solutions alcalines, comme l'hydroxyde de sodium, est nécessaire si l'écoulement devient trop acide (pH < 6,5). De même, pour ramener le pH à des niveaux acceptables, il est nécessaire d'ajouter des acides si le processus devient trop alcalin (pH > 8,5).
• Dans le clarificateur, des échantillons sont prélevés pour déterminer si la boue est séparée adéquatement de l'écoulement. Des échantillons sont placés dans une bouteille graduée de 1000 ml, et laisser au repos durant 30 minutes. Ce processus sert à vérifier si la boue s'est décantée avec une ligne claire entre la boue et l'eau. Le volume de la boue décantée doit également être mesurée.
• Le processus doit être modifié si la décantation n'est pas adéquate en ajustant la durée d'aération ou le rapport entre l'alimentation, et les micro-organismes. Pour maintenir l'efficacité globale du système de traitement, ces ajustements sont essentiels.