CS 3 2023 PDF - Introduction au traitement biologique des eaux usées

COURS SPECIALISE CS 3 TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES EAUX USÉES 1. INTRODUCTION AU TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES EAUX USÉES Groupe romand pour la Formation des Exploitants de Station d’épuration – FES Route de Lausanne 17 CH-1400 Yverdon-les-Bains +41 (0)26 660 26 44 [email protected] www.forma...

COURS SPECIALISE CS 3 TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES EAUX USÉES 1. INTRODUCTION AU TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES EAUX USÉES Groupe romand pour la Formation des Exploitants de Station d’épuration – FES Route de Lausanne 17 CH-1400 Yverdon-les-Bains +41 (0)26 660 26 44 [email protected] www.formation-fes.ch Office International de l’eau 22, rue Edouard Chamberland F-87065 LIMOGES CEDEX Tél.: 0033 05 55 11 47 70 [email protected] © Copyright by FES Route de Lausanne 17 CH 1400 – Yverdon-les-Bains +41 (0)26 660 26 44 [email protected] www.formation-fes.ch CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 2  AUTEUR Nicolas JEANMAIRE  Office International de l’eau  22, rue Edouard Chamberland F-87065 LIMOGES CEDEX Tél.: 0033 05 55 11 47 70 [email protected] CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 3  TABLE DES MATIERES 1. PRINCIPES D’UNE STATION D’EPURATION BIOLOGIQUE 8 2. TYPES D’EAUX USEES 10 2.1 Effluents domestiques 10 2.2 Eaux pluviales 10 2.3 Eaux industrielles 12 2.4 Matières de vidange 14 3. POLLUANTS PRINCIPAUX DES EAUX USEES 16 3.1 Les matières organiques 16 3.1.1 Le cycle du carbone 16 3.1.2 Constitution de la DCO et processus d’élimination 16 3.2 La pollution azotée 18 3.2.1 Les différentes formes de l’azote dans les eaux usées 18 3.2.2 Le cycle de l’azote 20 3.2.3 Les sources de l’azote dans les eaux usées 22 3.2.4 La problématique de l’azote 22 3.2.5 Processus d’élimination de l’azote 24 3.3 La pollution phosphorée 26 3.3.1 Le cycle du phosphore 26 3.3.2 Les différentes formes du phosphore dans les eaux 26 3.3.3 Les sources du phosphore dans les eaux usées 28 3.3.4 La problématique du phosphore dans les eaux 28 3.3.5 Processus d’élimination du phosphore 28 4. CARACTERISATION DES EAUX USEES 30 4.1 Concentration typique des eaux usées municipales en Suisse 30 4.2 Rappel sur la notion de charge (ou flux) polluante 30 4.3 Les marges d’erreurs analytiques 32 4.4 Rapport de biodégradabilité 32 4.5 Rendement épuratoire 34 CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 4  LISTE DES FIGURES Figure 1: Principe de traitement sur une station d’épuration 7 Figure 2 : Principe du métabolisme bactérien (source Irstea) 7 Figure 3 : Type de cultures bactériennes 7 Figure 4 : Les eaux usées domestiques 9 Figure 5 : Les eaux pluviales 9 Figure 6 : Raccordement des eaux industrielles 11 Figure 7 : Compatibilité des eaux industrielles 11 Figure 8 : Vue d’une aire de dépotage de matières de vidange 13 Figure 9 : Cycle naturel du carbone 15 Figure 10 : Constitution de la DCO 15 Figure 11 : Les différentes formes de l’azote 17 Figure 12 : L’azote dans l’eau 17 Figure 13 : Facteurs de conversion des unités d’azote 19 Figure 14 : Cycle de l’azote 19 Figure 15 : Nuisances liées à l’azote 21 Figure 16 : Transformation de l’azote 23 Figure 17 : Cycle du phosphore 25 Figure 18 : Origine du phosphore dans le lac Léman (bilan de la CIPEL en 2010) 25 Figure 19 : Le phosphore dans les eaux usées 25 Figure 20 : L’eutrophisation 27 Figure 21 : Traitement du phosphore 27 Figure 22 : Rappel sur le calcul de la charge (ou flux) de pollution 29 Figure 23 : Les incertitudes de mesure (marge d’erreur) 31 Figure 24 : Rapport de biodégradabilité DCO/DBO5 31 Figure 25 : Calcul du rendement épuratoire 33 Figure 26 : Exemple de calculs de rendement épuratoire 33 CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 5  LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Variabilité des caractéristiques des matières de vidange selon divers facteurs 13 Tableau 2 : Correspondance entre type de matière organique et DCO 15 Tableau 3 : Évolution du phosphore dans les eaux usées domestiques suisses (EAWAG 1997) 27 Tableau 4 : Caractéristiques des eaux usées municipales en Suisse selon Holliger – EPFL 29 CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 6  Figure 1: Principe de traitement sur une station d’épuration Figure 2 : Principe du métabolisme bactérien (source Irstea) Figure 3 : Type de cultures bactériennes CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 7 1. PRINCIPES D’UNE STATION D’EPURATION BIOLOGIQUE La station d’épuration (STEP) a pour vocation la dépollution des eaux usées. Le retrait des éléments polluants dans l’eau est réalisé par étapes successives tout en acceptant la charge hydraulique (figure 1) : ▪ Les prétraitements permettent de retirer de l’eau les éléments grossiers et pénalisants pour le bon fonctionnement des ouvrages en aval (déchets, sables, graisses). ▪ Le traitement primaire, souvent réalisé par décantation, sert à abattre une partie de la pollution, essentiellement particulaire. Il permet de soulager les traitements biologiques en aval. ▪ Le traitement biologique (appelé aussi secondaire) est le cœur du système. Il va permettre la transformation de la pollution dissoute et colloïdale en boues biologiques. Un ouvrage en aval du réacteur biologique est prévu pour retirer l’excès de boue (décanteur et moins fréquemment filtration membranaire ou flottation). La pollution carbonée et, si la STEP est conçue pour la traiter, la pollution azotée seront éliminées lors de cette étape. ▪ Le traitement tertiaire permet un affinage du traitement des eaux lorsque les exigences de rejet sont sévères. Avec l’évolution de la législation et la prise en compte du traitement des micropolluants dans les plus grandes STEP, les traitements dits quaternaires complémentaires devraient être déployés dans les STEP concernées. Au niveau du traitement biologique, il existe un grand nombre de procédés. Les cours de base (CB) proposent une revue large de ces différents procédés. Les cours spécialisés (CS 3) vont détailler les procédés les plus communément utilisés. Schématiquement, il existe 2 grandes familles de procédés : ▪ Les cultures libres où les microorganismes se développent en suspension dans l’eau. On retrouve dans cette famille la boue activée et ses variantes (Réacteurs Biologiques à Membranes notés RBM ou BRM ; Réacteurs Séquentiels par Bâchés notés RSB ou SBR), mais aussi pour mémoire le lagunage (très peu utilisé en Suisse), ▪ Les cultures fixées où les microorganismes se développent sur un support de culture immergé ou émergé. On retrouve dans cette famille les lits bactériens, les disques biologiques, les bioréacteurs à lits fluidisés- notés MBBR, dans le cas de supports grossiers. On retrouve également la biofiltration où un support fin est utilisé. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 8  Figure 4 : Les eaux usées domestiques Figure 5 : Les eaux pluviales CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 9 2. TYPES D’EAUX USEES La connaissance du type et des flux de pollution à traiter est nécessaire à la bonne exploitation d’une STEP biologique. Les effluents à traiter par les ouvrages de dépollution peuvent être d’origines diverses : ▪ effluents domestiques, eaux industrielles, eaux pluviales, matières de vidange. 2.1 Effluents domestiques Ils sont constitués par un mélange d’eaux vannes (WC), d’eaux ménagères (cuisine, salle de bain). Les polluants présents dans ces eaux sont constitués de matières organiques biodégradables et difficilement ou pas dégradables et de matières minérales. Ces substances sont sous forme dissoute ou en suspension, comme évoqué dans le CB1 et CS1. 2.2 Eaux pluviales En termes d’appellation « eaux pluviales », il est nécessaire de distinguer deux types d’effluents : ▪ les eaux de pluie au sens strict du terme, ▪ les eaux mixtes c’est-à-dire les eaux de pluie mélangées aux effluents domestiques. Les pollutions liées à ces effluents proviennent : ▪ pour les eaux météoriques : - du lessivage des sols ou des surfaces imperméabilisées, - de la remise en suspension des dépôts des collecteurs. Pour ce qui est des eaux pluviales mélangées aux eaux domestiques, celles-ci contiennent les mêmes types de polluants que les effluents domestiques en concentrations différentes cependant. Les eaux pluviales peuvent aussi contenir des micropolluants métalliques ou organiques (métaux lourds, hydrocarbures, …). Ces eaux pluviales peuvent être gérées différemment suivant les cas. Elles peuvent : ▪ être stockées en partie dans des bassins d’eau pluviale (BEP), avant de rejoindre une STEP, ▪ être traitées via des chaussées (tranchées) filtrantes, ▪ être épurées dans des filières de traitement spécifique en STEP. Les eaux pluviales ne sont pas à négliger car elles surchargent hydrauliquement la STEP et peuvent indirectement fragiliser les traitements biologiques. Par ailleurs, lors de la fonte des neiges, ces eaux conduisent également à refroidir les réacteurs biologiques et dans certains cas (salage des routes) augmentent la salinité du milieu. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 10  Figure 6 : Raccordement des eaux industrielles Figure 7 : Compatibilité des eaux industrielles CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 11 2.3 Eaux industrielles Les caractéristiques des eaux usées d’origine industrielle sont directement liées aux types d’industries implantées sur le réseau. La pollution de ces eaux peut être à dominante organique (abattoir, laiterie, pharmacie), ou minérale, voire toxique (traitement de surface). Deux solutions sont envisageables pour traiter ces effluents. La première consiste à accepter les effluents industriels dans la STEP des eaux usées urbaines. Des précautions minimales de bon sens sont toutefois à observer (figures 6 et 7). Il faut : ▪ assurer que les systèmes de collecte, les STEP des eaux usées et les équipements connexes ne soient pas endommagés, ▪ assurer que le fonctionnement de la STEP des eaux usées et le traitement des boues ne soient pas entravés, ▪ veiller à ce que les rejets des STEP n’altèrent pas l’environnement ou n’empêchent pas les eaux réceptrices de satisfaire les directives de la protection des eaux, ▪ assurer l’évacuation des boues en toute sécurité d’une manière acceptable pour l’environnement. Dans tous les cas, l’acceptation d’eaux usées industrielles dans le réseau d’assainissement de la commune fait l’objet d’une autorisation de raccordement. Ce document établit le positionnement des points de rejet, les appareils de contrôle mis en place, les prétraitements requis, les débits et charges maximums admissibles par la STEP. La seconde solution est de traiter les effluents industriels sur le site de l’industrie. C’est en général le cas pour les grands sites industriels et/ou ceux dont la charge polluante n’est pas traitable dans la STEP communale. Puis, après traitement, les eaux épurées regagnent le milieu récepteur ou le réseau d’assainissement pour alimenter la STEP urbaine. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 12  Caractéristiques des matières Valeurs moyennes Fosse étanche Fosse septique de vidange MEST g/l 5 - 15 1-3 10 - 40 MVS g/l 3 - 10 1-2 30 % MVS 65 - 75 65 - 85 85 DCO g/l 10 - 30 3 - 10 30 -50 DBO5 g/l 3 - 10 1-2 5 -15 N-NH4+ g/l 0,5 - 1 1,5 - 2 N-NTK g/l 1,5 - 3 1-2 2-3 Tableau 1 : Variabilité des caractéristiques des matières de vidange selon divers facteurs Figure 8 : Vue d’une aire de dépotage de matières de vidange CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 13 2.4 Matières de vidange Dans toutes les communes, il existe des habitations non raccordées au réseau d’assainissement collectif, car hors zones des constructions. Le traitement des eaux usées issues de ces habitations est appelé assainissement autonome ou assainissement non collectif noté ANC. Il existe plusieurs filières de traitement pour ces effluents. Mais, une fosse septique est très souvent installée. Une décantation a lieu dans cette fosse septique. Les matières organiques des boues issues de la décantation subissent, à l’intérieur même de la fosse septique, une dégradation anaérobie. La matière organique est transformée en acides gras volatils et en gaz. Un résidu de pollution se concentre en fond de fosse septique. C'est ce que l'on appelle les matières de vidange dont les caractéristiques sont présentées dans le tableau 1 (source : Cahier Technique n°17 de Direction de Prévention des Pollutions). C'est pourquoi, les fosses septiques sont à vidanger. Ces matières de vidange constituent une pollution très concentrée. Tout épandage de matières de vidange est interdit en Suisse. La seule filière possible de traitement est la restitution à une STEP, qui devra assurer le retraitement dans sa filière biologique. Dans ce cas, les matières de vidange peuvent être dépotées directement dans le poste de relèvement, ce qui va générer des à-coups pour la filière biologique. Cette solution n’est donc pas idéale. L’autre lieu de dépotage est une fosse de réception et de stockage des matières de vidange. Pour un bon fonctionnement, celle-ci doit être munie d’un prétraitement (dégrillage), d’un système d’agitation, d’un groupe de pompage, et d’un dispositif de désodorisation (figure 8). Cette installation est préférée au dépotage direct dans le poste de relèvement car elle permet de gérer les injections de matières de vidange dans la file eau de la STEP et éviter les à-coups de pollution. Nous renvoyons le lecteur aux travaux dirigés n°1 des cours de base CB qui montrent l’importance de la charge apportée par les matières de vidange. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 14  Figure 9 : Cycle naturel du carbone Type de matière organique Formule chimique DCO (gO2/g MO) Matière cellulosique CH2O 1.06 Biomasse bactérienne C5H7O2N 1.42 Biomasse algale C106H263O110N16P 0.96 Matière organique typique des eaux C18H19O9N 1.43 usées municipales Tableau 2 : Correspondance entre type de matière organique et DCO Figure 10 : Constitution de la DCO CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 15 3. POLLUANTS PRINCIPAUX DES EAUX USEES Les traitements biologiques sont sélectionnés et conçus pour faire face à trois principaux polluants : ▪ Les matières organiques, l’azote et le phosphore 3.1 Les matières organiques 3.1.1 Le cycle du carbone Les matières organiques présentes dans les eaux usées sont essentiellement constituées de carbone. Aussi, l’élimination des matières organiques renvoie sur le traitement du carbone (ou pollution carbonée) dont les grands principes se retrouvent dans le cycle naturel de transformation du carbone (figure 9) avec en particulier : ▪ Les réactions de décomposition et d’absorption du carbone organique par des organismes vivants : en présence ou non d’oxygène libre, aboutissant à la croissance de ces organismes et au rejet de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. ▪ La transformation du CO2 par les végétaux (plantes, algues,…) via la photosynthèse aboutissant à la synthèse de carbone organique (croissance végétale) et à la production d’oxygène libre. Les réactions de dégradation et d’assimilation des matières organiques par la biomasse bactérienne constituent la base de chaque procédé biologique en STEP. 3.1.2 Constitution de la DCO et processus d’élimination La pollution organique est appréhendée globalement par l’analyse de la DCO ou demande chimique en oxygène. Ainsi, chaque ingrédient organique présent dans les eaux usées peut être associé à une valeur correspondante de DCO (tableau 2). La figure 10 détaille les différentes composantes de la matière organique révélée par l’analyse de la DCO selon leur morphologie (forme particulaire ou MES – forme colloïdale – forme dissoute) et leur biodégradabilité (forme facilement biodégradable ou DBO5 – forme difficilement biodégradable – forme non biodégradable). On retiendra que : ▪ La DBO5 dissoute est directement et rapidement éliminée par assimilation bactérienne. ▪ La DBO5 colloïdale ou particulaire est d’abord retenue par phénomène physique d’adsorption (ou collage) sur les flocs ou le biofilm. Ensuite, selon le délai de séjour de la biomasse dans l’ouvrage de traitement biologique, intervient le processus d’assimilation bactérienne. ▪ Les matières colloïdales ou particulaires, difficilement ou non biodégradables, peuvent être éliminées par le traitement biologique via des mécanismes d’adsorption sur les flocs ou le biofilm biologiques sous réserve d’une bonne rétention finale des boues biologiques à l’issue du traitement. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 16  Figure 11 : Les différentes formes de l’azote Figure 12 : L’azote dans l’eau CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 17  ▪ Seule la DCO dissoute non biodégradable ne sera pas retenue pour le traitement biologique. Elle représente la DCO réfractaire appelée plus généralement la DCO dure. Dans le cas des eaux usées municipales, cette DCO dure se situe autour de 20 à 30 mg l-1 selon la dilution des eaux brutes arrivant sur la step. Cette valeur, bien inférieure à la norme de rejet exigée au rejet de la step, doit à priori constituer l’objectif idéal à atteindre par l’exploitant dès lors que le traitement biologique est parfaitement géré. Attention, l’admission sur la step de certains types d’eau usée industrielle ou de matières de vidange peut tendre à accroitre la DCO dure finale. 3.2 La pollution azotée 3.2.1 Les différentes formes de l’azote dans les eaux usées L’azote peut se présenter dans les eaux usées selon les différentes formes suivantes (figure 11) : ▪ N-org : azote organique (R-NH2 : amines,...) ▪ N-NH4+ : azote ammoniacal - NH4+ ion ammonium ▪ N-NO2- : azote nitreux - NO2- ion nitrite ▪ N-NO3- : azote nitrique - NO3- ion nitrate ▪ N2 : azote gazeux Certaines combinaisons (additions) de composés azotés portent un nom particulier, d'ailleurs utilisé pour caractériser l'effluent ou l'eau épurée : ▪ NK : Azote de Kjeldahl (anciennement NTK) ▪ NK = N-org + N-NH4+ ▪ N tot : Azote total (aussi appelé azote global en Europe et noté alors NGL) ▪ N tot = NK + N-NO2- + N-NO3- ATTENTION ne pas confondre, par exemple, un ion et un atome : N : atome d'azote et NH4+ : ion ammonium dans lequel on trouve : 1N : azote et 4H : 4 hydrogènes. Masse atomique, de N = 14 g, de H = 1 g Soit pour 14 g de N, cela correspond à 18 14 + (4 x 1) = 18 g de NH4+, donc 1 g de N équivaut à g NH4+ 14 D’où 1 g de N  1,28 g NH4+. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 18  Figure 13 : Facteurs de conversion des unités d’azote Figure 14 : Cycle de l’azote CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 19 Pour le nitrite et nitrate, c'est la même démarche. NO2- représente 14 + (2 x 16) = 46 g D’où 1 g de N  3,28 g de NO2- NO3- représente 14 + (3 x 16) = 62 g D’où 1 g de N  4,43 g de NO3- 3.2.2 Le cycle de l’azote Les organismes vivants ont besoin d'azote pour fabriquer des protéines et des acides nucléiques. Mais, la plupart ne peuvent utiliser directement le diazote (N2) de l'air (source d'azote pourtant la plus abondante). Il faut que le diazote soit converti en azote utilisable : ammonium (pour les bactéries) et nitrate (pour les végétaux). Pour ce qui est de l'ammonium, celui-ci peut être généré de différentes manières (figure 14) : ▪ Par fixation biologique : les cyanobactéries et certaines bactéries vivant en symbiose avec des légumineuses (pois, trèfle, …) transforment l'azote gazeux en ammonium. ▪ Par décomposition naturelle des déchets organiques puis ammonification bactérienne L’azote ammoniacal peut ensuite être consommé par la biomasse en place et, selon les conditions d’oxygénation et de température, oxydé successivement en nitrites puis nitrates. C’est la réaction de nitrification. Les nitrates résultant de cette nitrification sont assimilés par la croissance des végétaux en place qui intervient de façon saisonnière. En période défavorable (hiver), les nitrates sont susceptibles de regagner soit : ▪ l’hydrosphère (nappe – rivière) par drainage ou lessivage. ▪ L’atmosphère sous forme de N2 après processus de dénitrification sous réserve de conditions appropriées (zone humide désoxygénée). CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 20  Figure 15 : Nuisances liées à l’azote CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 21 3.2.3 Les sources de l’azote dans les eaux usées Pour l’azote, les activités suivantes conduisent à des rejets d’azote dans le réseau d’assainissement : ▪ Rejets domestiques : il s’agit majoritairement des déjections humaines (l’urine par exemple contient beaucoup d’azote) et à un degré moindre de l’utilisation de détergent ammoniaqué induisant la présence d’azote Kjeldahl facilement ammonifiable. L’intrusion d’eaux claires parasites ou le recours à des ajouts de réactifs à base de nitrates pour contrer des problématiques de fermentation en réseau peut contribuer à faire apparaitre des concentrations résiduelles de nitrates à l’entrée de la step. ▪ Rejets industriels : les apports d’azote peuvent être alors plus diversifiés et se rapporter à l’utilisation de détergents, aux eaux de lavage de procédés conduisant à la production ou l’utilisation de molécules azotées. Selon le contexte industriel, on peut rencontrer le plus souvent des rejets chargés en NK (agroalimentaire – pétrochimie - …), mais parfois des rejets chargés en NK (agroalimentaire – pétrochimie - …) et NNO3 (laiterie – fromagerie) ou encore des rejets chargés en nitrates (fabrication d’engrais ou d’explosifs). 3.2.4 La problématique de l’azote Présence d’azote ammoniacal (NNH4) L’ammonium contenu dans les eaux usées engendre des problèmes largement connus aujourd’hui sur le milieu naturel : ▪ Toxicité directe de l’ammonium sur certaines espèces aquatiques (poissons notamment). ▪ Consommation naturelle de l’oxygène du milieu naturel pour l’oxydation de l’ammonium. Cette consommation est due à des mécanismes biologiques et se traduit par une baisse de l’oxygène dissous du milieu récepteur, dommageable pour le maintien d’un écosystème riche et varié. Présence de nitrites ▪ Provoque des détresses respiratoires rapides pour les poissons et leur mortalité. ▪ Consommation d'oxygène pour former du nitrate. La présence de la molécule de nitrite conduit également à une consommation naturelle de l’oxygène du milieu aquatique. Elle reste néanmoins moins importante que pour le cas de l’ammonium. ▪ La présence de nitrite à très fortes doses peut conduire à des mécanismes d’inhibition de la croissance de certaines bactéries. Présence de nitrates ▪ Contribution par apports directs ou après nitrification des formes NH4 et NO2 au déséquilibre alimentaire des espèces végétales. Ce phénomène est connu sous le nom d’eutrophisation. ▪ La surconcentration de nitrates dans les eaux souterraines ou superficielles tend à accroitre les contraintes de potabilisation pouvant induire la nécessité d’installations de procédés spécifiques d’élimination (filtre biologique – résine échangeuse) sur l’usine d’eau potable. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 22  Figure 16 : Transformation de l’azote CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 23 3.2.5 Processus d’élimination de l’azote Ammonification et assimilation Une partie de l'azote ammoniacal provient de l’ammonification de l’azote organique. La réaction d’ammonification est réalisée par des micro-organismes, en partie dans le réseau d’assainissement, puis dans la STEP. L’azote ammoniacal est en partie assimilé par la synthèse bactérienne. La quantité d’azote assimilée représente 5 % de la DBO5 présente dans les eaux brutes. Dans la majorité des cas (hors effluents industriels !), cette assimilation bactérienne ne suffit pas à éliminer la totalité de l’azote Kjeldahl. Si le milieu récepteur le nécessite, via les niveaux de rejet appliqués à la STEP, il est nécessaire de mettre en œuvre un traitement complémentaire. Elimination complémentaire de l’azote ammoniacal : la nitrification La réaction de nitrification est la transformation de l’ammonium en nitrates (en passant par le stade des nitrites notamment). Elle est réalisée par des micro-organismes autotrophes (à différencier des organismes hétérotrophes qui éliminent la DBO5). Cette réaction n’est réalisable que si de l’oxygène dissous est présent dans le réacteur de nitrification. Lorsque la nitrification est nécessaire, le dimensionnement des ouvrages biologiques de la STEP doit être adapté. En effet, les micro-organismes autotrophes se reproduisent lentement et il est nécessaire de les laisser "s’installer" dans les ouvrages pour que la nitrification ait lieu. Cependant, il arrive que des STEP non dimensionnées pour ce traitement, nitrifient. En général, cela se produit à partir du printemps, lorsque la température s’élève. En effet, la croissance des bactéries autotrophes s’accélère lorsque la température de l’eau augmente. Elimination des nitrates : la dénitrification Après avoir nitrifié, il peut être nécessaire, si le milieu récepteur l’exige, d’éliminer les nitrates formés lors de la nitrification. La réaction globale de dénitrification est la transformation des nitrates en azote gazeux : Cette transformation biologique est réalisée dans un réacteur biologique, privé d’oxygène dissous, appelée zone anoxie. Il est à noter que certaines configurations de bassin d’aération permettent de créer une zone ou une période anoxie ne nécessitant pas la construction d’un bassin spécifique. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 24  Figure 17 : Cycle du phosphore Figure 18 : Origine du phosphore dans le lac Léman (bilan de la CIPEL en 2010) Figure 19 : Le phosphore dans les eaux usées CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 25 3.3 La pollution phosphorée 3.3.1 Le cycle du phosphore Le phosphore se retrouve sous deux formes : minérale et organique. La matière vivante assimile le phosphore minéral pour le transformer en phosphore organique (figure 17). De son côté, la matière vivante réapprovisionne le stock de phosphore minéral via sa décomposition et les excréments rejetés. La quantité de phosphore minéral est augmentée par : ▪ l'apport d'engrais, ▪ l'utilisation de certains détergents, ▪ les phénomènes d'érosion, ▪ les apports de phosphore dans le milieu. La surveillance dont fait l’objet le lac Léman depuis plusieurs décennies constitue une bonne illustration des divers apports de phosphore que peut subir le milieu naturel (document CIPEL, plan d'action 2001-2010). Si des apports diffus (agricoles, pluies, naturels) sont identifiés (figure 18), ce suivi met en évidence la très large prédominance des apports de phosphore liés aux rejets domestiques et industriels. Ce bilan permet de mieux comprendre les orientations progressives des actions pour contrer la pollution du phosphore : ▪ généralisation précoce du traitement du phosphore sur les step et durcissement des niveaux de rejet ▪ réduction à la source de la pollution phosphorée ▪ politique d’amélioration du fonctionnement des réseaux d’assainissement 3.3.2 Les différentes formes du phosphore dans les eaux On distingue (figure 19) : ▪ Le phosphore organique : résidus de la matière vivante. Il peut être sous forme dissoute ou particulaire. ▪ Le phosphore minéral : essentiellement constitué d’orthophosphates, notés PO43-. Ils représentent au moins 50 % du phosphore total. Certains parlent de pourcentages atteignant 70 à 80 % du phosphore total. Les espèces phosphorées sont regroupées dans le paramètre phosphore total noté PTOT PTOT = Porga + P-PO43- CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 26  Eaux usées non traitées g P/EH/jour en 1980 g P/EH/jour en 1994 Urines 1,23 1,23 Fèces 0,55 0,55 Lessives 2,05 0,14 Autres détergents 0,47 0,30 TOTAL 4,3 2,2 Activités humaines (urines, fèces) 41,4 % 80,9 % Détergents 58,6 % 19,1 % Tableau 3 : Évolution du phosphore dans les eaux usées domestiques suisses (EAWAG 1997) Figure 20 : L’eutrophisation Figure 21 : Traitement du phosphore CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 27 3.3.3 Les sources du phosphore dans les eaux usées Pour le phosphore, les origines principales sont les suivantes : ▪ Domestique : déjections humaines, utilisation de produits phosphorés. Même si la Suisse a interdit les phosphates dans les produits lessiviels ménagers en 1986, on retrouve des doses plus ou moins fortes de phosphore dans d’autres produits ménagers tels que les lessives pour laver la vaisselle par exemple (tableau 3). ▪ Industrielle : principalement des eaux de lavage, les processus industriels utilisant le phosphore sont très nombreux (chimie, pharmacie, traitement et revêtement des métaux, industrie automobile, fabrication d’engrais, compléments alimentaire,...). 3.3.4 La problématique du phosphore dans les eaux Contrairement à certaines formes de l’azote, le phosphore ne présente pas de risque direct d’intoxication des organismes aquatiques. Par contre, il contribue avec les nitrates au phénomène d’eutrophisation des eaux superficielles (lacs, rivières, retenues, mers, …). Dans les eaux douces des lacs et des rivières, il est considéré comme le facteur limitant c’est-à-dire l’élément dont la trop faible concentration dans le milieu empêche le phénomène de se produire. A noter que le phosphore est un élément qui sédimente, phénomène qui constitue un risque majeur pour l’écosystème des lacs et autres ressources possédant de faibles renouvellements hydrauliques. Voilà pourquoi les politiques de lutte contre l’eutrophisation dans les zones où les rejets des eaux usées traitées se font dans les lacs, insistent davantage sur le traitement du phosphore. 3.3.5 Processus d’élimination du phosphore L’élimination du phosphore en step impose de transférer le phosphore des eaux usées dans les boues issues du traitement. Ce transfert peut s’opérer de trois façons (figure 21) : ▪ Par simple assimilation bactérienne de la DBO5 induisant une consommation proportionnelle de phosphore. Sur les eaux usées municipales, ce processus ne suffit pas à capturer tout le phosphore et devra être complété par un autre procédé. ▪ Par précipitation chimique provoquée par l’injection de réactifs chimiques. On parle alors de procédé de déphosphatation chimique qui peut être opéré avant – après ou conjointement au traitement biologique. ▪ Par suraccumulation dans des bactéries spécifiques. Celles-ci nécessitent pour leur croissance une adaptation du traitement biologique et insertion d’une phase anaérobie via la création d’une zone anaérobie. On parle alors de procédé de déphosphatation biologique. Quel que soit le processus de piégeage du phosphore utilisé, la très bonne clarification des boues produites sans fuite de MES sera indispensable pour garantir la fiabilité du traitement. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 28  Critères Eaux usées Après décantation primaire * Unités MES 200 100 g MES.m-3 DBO5 170 130 g O2.m-3 DCO 340 260 g O2.m-3 NTK 30 28 g MES.m-3 NNH4 20 20 g MES.m-3 NNO2 0.1 0.1 g MES.m-3 NNO3 1 1 g MES.m-3 PT 6 5.5 g MES.m-3 6 6 Mol.m-3 Alcalinité 300 300 g CaCO3.m-3 *hors injection de réactifs chimiques Tableau 4 : Caractéristiques des eaux usées municipales en Suisse selon Holliger – EPFL (pour un débit moyen de 350 l/EH/j) Figure 22 : Rappel sur le calcul de la charge (ou flux) de pollution CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 29 4. CARACTERISATION DES EAUX USEES Le type d’analyse permettant de caractériser les eaux usées ainsi que leur signification sont abordés dans les cours de base. Le CS 1 apporte de larges compléments sur les techniques analytiques nécessaires à la mesure des pollutions carbonée, azotée et phosphorée. Dans le présent document, il est étudié les critères pertinents à retenir pour une meilleure connaissance de l’effluent et sa compatibilité avec les traitements biologiques. 4.1 Concentration typique des eaux usées municipales en Suisse Le tableau 4, établi par le professeur Christophe HOLLIGER de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, résume les principales caractéristiques des eaux usées municipales définies en valeur moyenne à l’entrée des step. Elles correspondent à un volume unitaire journalier de 350 litres par habitant. 4.2 Rappel sur la notion de charge (ou flux) polluante La charge ou le flux de pollution, encore appelé LE FLUX POLLUANT, représente la quantité de pollution sur un intervalle de temps donné. Généralement, on prend en compte le flux polluant journalier, c'est-à-dire la quantité de pollution par jour, d’où l’unité exprimée en kg. jour-1 Le flux polluant peut être mesuré pour chaque type d'eau (eau usée, eau épurée) et pour chaque pollution (flux DCO, flux MES, flux NK, flux PT). Le flux polluant dépend de deux paramètres (figure 22) : ▪ le débit journalier, ▪ la concentration moyenne (échantillon moyen 24h). Rappelons que dans ce cas les prélèvements ponctuels sont à bannir car non représentatifs de la situation générale. Ainsi : FLUX POLLUANT = DEBIT JOURNALIER x CONCENTRATION MOYENNE F en kg. jour-1 Q en m3. jour-1 C en kg. m-3 CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 30  Figure 23 : Les incertitudes de mesure (marge d’erreur) Figure 24 : Rapport de biodégradabilité DCO/DBO5 CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 31 4.3 Les marges d’erreurs analytiques La connaissance des niveaux de concentration est indispensable au bon suivi et à la bonne exploitation d’une STEP. Pour autant, l’exploitant gardera à l’esprit que chaque paramètre analytique doit être considéré avec du recul car les sources d’erreur sont nombreuses et toute interprétation trop rapide pourrait conduire à de mauvais choix. Parmi les éléments influençant la précision des résultats, la problématique du prélèvement et de la représentativité de l’échantillon doit être un souci constant de l’exploitant. De même, les règles de conservation des échantillons (type de flaconnage, durée et type de conservation) ne sont pas à négliger. Enfin le résultat de l’analyse doit être interprété au regard des incertitudes d’analyse (figure 23). 4.4 Rapport de biodégradabilité DCO Le rapport de biodégradabilité représente le rapport d’une eau usée brute. DBO5 Suivant la valeur de ce rapport, il est possible de quantifier le caractère biodégradable d’un effluent. Pour une eau usée urbaine, il est classique que ce rapport soit compris entre 2 et 3 (figure 24). Dans la mesure où ce rapport est inférieur à 3, c’est que l’effluent en question est biodégradable. Dans le cas contraire, l’effluent est non biodégradable et renvoie sur un contexte d’eaux usées non domestiques (apports d’eaux industrielles ou de matières de vidange). Un traitement biologique seul peut alors s’avérer inadapté. CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 32  Figure 25 : Calcul du rendement épuratoire Exemple de calcul sur une STEP Rapport de Débit (m3/j) DCO (mg/l) DBO5 (mg/l) biodégradabilité Eau brute 1 505 341 120 2,8 Eau traitée 1 478 30 10  Rendement d’épuration (1505 x 0,341) - (1478 x 0,03) DCO = = 91,4 % 1505 x 0,341 (1505 x 0,12) - (1478 x 0,003) DBO5 = > 97,5 % 1505 x 0,12 Figure 26 : Exemple de calculs de rendement épuratoire CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 33 4.5 Rendement épuratoire Le calcul du rendement épuratoire (figures 25 et 26) est nécessaire pour : ▪ Déterminer l’efficacité globale du traitement et démontrer le respect des exigences légales. On parlera donc de rendement officiel qui ne prend pas en compte les retours en tête. ▪ Déterminer l’efficacité réelle de la STEP (ou d’une partie des traitements de la STEP). Cette démarche est généralement interne au fonctionnement de la STEP et permet de guider le diagnostic de fonctionnement. On pourra dès lors comparer l’efficacité de filières entre elles ou d’étapes de traitement. Bien évidemment le rendement ne concerne pas qu’un seul paramètre de pollution. On parle donc de rendement d’élimination de la DCO ou de rendement d’élimination du phosphore. Enfin, le calcul de rendement n’a un sens que si les débits entrants et sortant de l’ouvrage sont proches. Un débit sortant nettement plus faible qu’un débit entrant conduirait mathématiquement à une augmentation du rendement épuratoire. Mais cette information risque fort d’être tronquée. Attention aux unités pour les calculs de rendement ! CS 3_2023_1_Introduction au traitement biologique des eaux usées Page 34