Comportement des micropolluants prioritaires dans les filières conventionnelles de traitement des eaux usées

Filières conventionnelles de traitement des ERU

Une STEP est composée de différentes filières de traitement permettant d’intervenir à différentes échelles sur la pollution dissoute et particulaire (colloïdes et matières en suspension). Le traitement se décompose classiquement en quatre grandes étapes (Gaïd 2008):
Prétraitement : il s’agit d’un premier traitement mécanique ou physique permettant d’éliminer les contaminants faciles à séparer de l’eau pouvant comporter un dégrillage (filtration grossière), un déshuilage/dégraissage, un dessablage ;
Traitement primaire : cette étape permet l’élimination de la pollution particulaire composée des matières en suspension (MES) et des colloïdes. La plupart du temps, ce processus est facilité par l’ajout de coagulant et flocculant afin de former des amas de matière particulaire (flocs) de poids plus importants qui décantent beaucoup plus facilement et rapidement ;
Traitement secondaire ou biologique : à ce niveau de traitement, la pollution particulaire est majoritairement éliminée mais pas la pollution dissoute. Pour y remédier, des procédés biologiques sont mis en place (boues activées, biofiltration, bioréacteur à membrane – BRM, lagunage) dont le principe est le traitement par une flore bactérienne biodégradant ces molécules. Cette filière permet également d’améliorer encore le traitement de la pollution particulaire par rétention dans les ouvrages, même si son but principal est l’élimination de la pollution carbonée, azotée et phosphorée.
Traitement des boues : les différents procédés précédents entraînent la production de boues, notamment les filières primaire et biologique. Ces déchets ne sont pas valorisables en l’état (épandage agricole, production d’énergie), une filière spécifique de traitement a donc été développée.
Une cinquième étape de traitement peut être ajoutée, même s’il ne s’agit pas du tout de la configuration générale. Dans le contexte actuel de durcissement des législations en micropolluants et d’anticipation de la part des gestionnaires, cette filière connaîtra probablement un essor assez important dans les années à venir.
Traitement tertiaire : il est composé de procédés d’affinage faisant généralement partie de trois familles, les procédés membranaires, les procédés d’adsorption (dont le CAP) et les procédés d’oxydation (ozonation, ultraviolet, chloration).

Le traitement primaire

Les procédés existants

La filière primaire a pour objectif l’élimination des MES et de la pollution colloïdale. Cette étape est la plus classique dans les STEP. On distingue les procédés de décantation classique et physico-chimique. Le système de décantation en lui-même peut être lamellaire ou conventionnel.
Décantation classique :Le phénomène de décantation est directement régit par la vitesse de Hazen ou vitesse ascensionnelle, puisque toute particule ayant une vitesse de sédimentation supérieure à celle-ci sera retenue par l’ouvrage (Gaïd 2008). Elle se définit par le débit traversant l’ouvrage divisé par la surface du décanteur. Il suffit alors de se placer dans une configuration où la vitesse de Hazen est assez faible pour permettre aux particules de décanter, et donc sélectionner une surface assez grande pour cela. Dans cette configuration, la surface réelle du décanteur est la même que la surface disponible pour la décantation. Il existe différents types de décanteurs classiques dont le sens d’écoulement et la disposition adoptée pour l’évacuation des boues diffèrent. On distingue alors le décanteur horizontal avec raclage des boues, du décanteur cylindro-conique et du décanteur circulaire à raclage de boues.
Décantation physico-chimique :Alors que les MES décantent naturellement, les colloïdes sont relativement stables et il est nécessaire de les déstabiliser pour modifier leur état physique, par ajout d’un coagulant comme le chlorure ferrique (FeCl3) ou le chlorure d’aluminium (AlCl3), dans un réacteur agité à brassage rapide. L’ajout d’un flocculant (polymère) permettra ensuite d’agglomérer l’ensemble en flocs décantables. L’ajout de ces réactifs augmente fortement la qualité du traitement (Gaïd 2008). Le coagulant réagit également avec les ions phosphates (PO43- ) présents dans l’eau, pour former des précipités (FePO4 ou AlPO4), et élimine ainsi une partie de la pollution phosphatée (Canler et Perret 2007).
Décantation lamellaire :La décantation lamellaire s’appuie sur l’ajout de lamelles au cœur du décanteur afin d’augmenter la surface projetée au sol artificiellement et améliorer la décantation sans pour autant augmenter la taille de ce dernier. Ces lamelles doivent permettre d’apporter une surface projetée au sol maximale tout en permettant aux particules qui les percutent de glisser vers le sol sous l’effet de la pesanteur, d’où leur inclinaison (Canler et Perret 1994). Généralement l’angle d’inclinaison par rapport à l’horizontale est de 45 à 60° et l’espacement entre les plaques de 10 à 20 cm (Boeglin 2002). Le principal avantage de la décantation lamellaire réside dans sa compacité par rapport à un décanteur classique, ce qui est très intéressant notamment en zones fortement urbanisées comme l’agglomération parisienne.

Processus d’abattement au sein des traitements primaires

Le processus principal d’abattement des micropolluants dans un procédé primaire est la rétention des particules sur lesquelles il y a sorption. En effet, la décantation des MES permet de retenir une part importante des polluants hydrophobes et adsorbables (Byrns 2001, Gasperi et al. 2010). Les principales voies de sorption sur les particules proviennent des relations d’hydrophobicité ou d’interactions électrostatiques avec les particules (adsorption) (Carballa et al. 2005).
Dans le cas d’une décantation physico-chimique, l’ajout d’un coagulant permet de déstabiliser certaines molécules dissoutes dans l’eau. L’ajout d’un polymère organique (flocculant), dans un bassin à agitation lente, provoquera par la suite l’agglomération des colloïdes déstabilisés autour de celui-ci, les rendant facilement décantables. Les mécanismes d’agrégation des particules et colloïdes provoqués par la coagulation-flocculation sont multiples et représentent une combinaison de la neutralisation de charges, l’adsorption, le piégeage et la complexation en matières insolubles avec les ions du coagulant (Duan et Gregory 2003). Etant donné les interactions existant entre les colloïdes et les micropolluants (Alexander et al. 2012), une élimination partielle de certains composés peut être attendue par la coagulatio-flocculation, mais ce phénomène reste mal connu.

Efficacité des traitements primaires

Paramètres globaux de la qualité des eaux usées :Quelle que soit la configuration du décanteur, la coagulation-flocculation-décantation permet d’atteindre des abattements de 70-90% en MES, 50-75% en DCO (demande chimique en oxygène), 55-80% en DBO5 (demande biologique en oxygène à 5 jours), 10-30% en NTK (azote total Kjeldahl) et d’assurer une concentration résiduelle de sortie en phosphore total (TP) inférieure à 1-2 mg/L (Gaïd 2008). De façon similaire, (Odegaard 1992) rapportent des abattements typiques observés en Norvège avec ce procédé de l’ordre de 73% pour la DCO, 81% pour la DBO5, 65% pour le carbone organique total, 91% pour les MES, de 94% pour le TP et 28% pour l’azote global (NGL). Ces très bonnes performances sur les MES, la DCO et la DBO5 sont également confirmés dans plusieurs études disponibles dans la littérature (Gasperi et al. 2012, Rocher et al. 2012, US-EPA 2003).
En comparaison, la décantation classique permet en général l’abattement de 50 à 65% des MES et de 20 à 35% de la DBO5 (Gaïd 2008). Ainsi, il est clair que la décantation physico-chimique lamellaire est plus performante sur les paramètres globaux que la décantation classique sans réactifs.
Micropolluants :Il a été traditionnellement admis dans la littérature que la décantation physico-chimique était inefficace pour éliminer les contaminants organiques à l’état de traces (Alexander et al. 2012), même s’il faut noter que la configuration actuelle de ces procédés ainsi que les coagulants utilisés n’ont pas été sélectionnés spécifiquement dans le but d’abattre ces polluants, ce qui laisse des possibilités d’amélioration.
La sorption sur les particules représente le processus d’élimination majoritaire des micropolluants dans ce type de procédés. Ainsi il est logique que le traitement primaire permette de bien abattre les molécules hydrophobes (log KOW > 4), qui ont tendance à se sorber sur les particules ou les boues, étant donné l’efficacité de la décantation sur l’élimination des MES. (Gasperi et al. 2012) ont étudié le procédé de décantation physico-chimique lamellaire lestée de la STEP de Seine Aval. Ils ont montré que les métaux ainsi que les composés organiques très hydrophobes (log KOW > 5,5) comme les HAPs, le DEHP, les PCBs ou les PBDEs sont très bien éliminés (> 80%) alors que les composés hydrophiles ou faiblement hydrophobes (log KOW < 4) sont globalement faiblement abattus (< 20% ou < 50%). Les composés d’hydrophobicité intermédiaire (4 < log KOW < 5,5) sont plutôt moyennement abattus (entre 50 et 80%). Cependant, la variabilité des résultats dans la phase dissoute est importante d’une molécule à une autre, probablement à cause de la fraction de polluants liée ou non à la phase colloïdale.

Le traitement biologique

Le traitement secondaire consiste classiquement en une épuration biologique intervenant après le traitement primaire. Ces procédés ont pour but d’éliminer la pollution biodégradable des eaux, et notamment les pollutions carbonées, azotées et phosphorées. Les différents procédés biologiques existants sont présentés dans la suite de cette partie. Il s’agit de la biofiltration, le traitement conventionnel à boues activées et le BRM.

Les procédés biologiques

Procédés à culture libre : boues activées et BRM :Les deux technologies font partie de la famille des procédés à culture libre, c’est à dire où l’on provoque le développement d’une culture bactérienne dispersée sous forme de flocs au sein du milieu (Gaïd 2008). C’est cette culture bactérienne qui dégrade la pollution par des réactions de métabolisation, où le polluant est la source de carbone et d’énergie, et de cométabolisation, où le polluant est transformé mais n’est pas la source d’énergie.
Les procédés à culture libre ont en commun la présence d’un bassin brassé dont le but est de maintenir en suspension la culture, dans des conditions aérobies (maintien d’un taux d’oxygène élevé), anaérobies (absence d’oxygène mais présence de nitrates) ou anoxies (absence d’oxygène et de nitrates).
Boues activées :L’application principale de cette famille est le traitement par boues activées. Les boues activées sont composées d’un mélange de biomasse, de matières minérales en suspension et de matière organique non dégradable (Chocat 1997). Quel que soit le type de traitement souhaité (traitement du carbone, azote ou phosphore), il contient toujours les éléments suivants : Un bassin d’aération où l’eau est mise en contact avec la culture bactérienne, Un clarificateur où l’eau est séparée des flocs de boues, Une recirculation des boues permettant le maintien de la concentration nécessaire de boues dans le bassin d’aération, Une extraction de l’excès de boues qui n’est pas recirculé.
BRM :Le BRM est une évolution du procédé à boues activées. Il est basé sur le couplage du traitement biologique dégradant la pollution et du traitement physique de séparation membranaire par ultra ou microfiltration (diamètres de pores entre 0,05 et 0,5 µm) (Gaïd 2008).
Le principe de la partie biologique est le même qu’un traitement à boues activées classique, seule la séparation change. Contrairement au procédé conventionnel à boues activées, la séparation est effectuée par une membrane, ce qui permet la rétention totale de la biomasse dans le réacteur (Weiss et Reemtsma 2008). En outre, elle permet une désinfection parfaite de l’effluent et donne une qualité de sortie de l’eau très stable. Dans sa version la plus récente, le BRM intègre la membrane à l’intérieur du bassin d’aération, elle est donc immergée, ce qui permet une compacité importante et une réduction des coûts (Gaïd 2008). On distingue ainsi BRM à boucle externe et BRM à membrane immergée.

Efficacité sur les micropolluants

Les procédés biologiques améliorent l’efficacité d’élimination des micropolluants d’une STEP, permettant en moyenne d’obtenir 30% d’efficacité d’élimination supplémentaire par rapport au traitement primaire physico-chimique (Choubert et al. 2011, Ruel et al. 2008).
L’étude de (Clara et al. 2005b) a mis en évidence l’efficacité d’élimination des micropolluants biodégradables par des procédés biologiques avec nitrification totale. Les travaux sur pilote industriel à la STEP de Lausanne (Suisse), qui consiste en un traitement biologique à nitrification totale, ont confirmé cette observation et ont même montré que plus la nitrification est avancée, meilleure est l’élimination des micropolluants biodégradables (Margot et al. 2011).
Boues activées:
Paramètres globaux : Comme indiqué précédemment, le traitement à boues activées peut exister dans différentes configurations allant de l’aération prolongée à la forte charge, ce qui affecte les performances de traitement. En effet, alors que des abattements de plus de 90% de la DBO5 sont classiquement observés en configurations aération prolongée et faible charge, ils sont compris entre 80 et 90% en moyenne charge et inférieurs à 80% en forte charge .
La configuration à aération prolongée représente donc la configuration la plus efficace sur les paramètres globaux, notamment la DBO5 (Gaïd 2008), et elle permet la mise en place d’une nitrification au contraire de la forte charge.
(Margot et al. 2011) ont suivi un traitement biologique à boues activées forte charge (sans nitrification) dans une STEP Suisse de 220 000 EH et ont observé des abattements de 90% en MES, 85% en DCO et DBO5, de plus de 60% en COD, de 90% en TP et d’environ 10% en NH4+ , pour des concentrations moyennes dans les effluents de 13 mg/L en MES, 36 mgO2/L en DCO, 17 mgO2/L en DBO5, 8,5 mgC/L en COD, 0,4 mgP/L en TP et 17,6 mgN/L en NH4+.
(Radjenović et al. 2009) ont suivi une STEP à boues activées faible charge en Catalogne (277 000 EH). Dans les effluents de STEP, les concentrations observées des différents paramètres sont en moyenne (15 campagnes) de 20 mg/L en MES, 88 mgO2/L en DCO, 15 mgO2/L en DBO5 et 30 mgN/L en NH4+.
Micropolluants : (Ruel et al. 2012) ont synthétisé les résultats du programme AMPERES, notamment les efficacités obtenues avec différents procédés dont le traitement à boues activées faible charge, configuration de boues activées permettant les meilleures performances .

Les boues résiduaires urbaines (BRU)

Les boues résiduaires urbaines (BRU) sont les résidus solides produits par les traitements des STEP au cours desquels les phases liquides et solides sont séparées. Ces boues sont produites au sein des procédés primaires, biologiques et tertiaires. Les traitements primaires et tertiaires produisent des boues par la décantation des MES alors que les traitements biologiques produisent plutôt des boues dues au développement des microorganismes épurateurs. Ainsi ces boues ont des caractéristiques différentes (matières sèches, matières volatiles, nutriments, alcalinité, graisses, etc.). A titre d’exemple, les boues primaires diffèrent des boues secondaires par leur taux de pathogènes plus élevé et leur plus grande facilité à être déshydratées (Donner et al. 2010) .Les quantités de boues produites varient d’un procédé à un autre . Par exemple, un traitement primaire par décantation simple (40 à 60 g MS/hab./j) produit moins de boues qu’un traitement primaire physico-chimique (80 à 110 g MS/hab./j) du fait du meilleur abattement des MES induit par l’ajout de coagulant et de flocculant ainsi qu’à l’apport de matière que constituent les réactifs, alors qu’un traitement biologique conventionnel (boues activées) produira en général entre 80 et 85 g MS/hab./j. Une filière compacte (décantation physico-chimique + biofiltration), comme exploitée à la STEP de Seine Centre, supervisée par le SIAAP, produit quant à elle en moyenne un total de 90 à 120 g MS/hab./j. Enfin, les procédés biologiques comme les systèmes à aération prolongée ou les zones humides artificielles produisent moins de boues que les procédés conventionnels (Metcalf et Eddy 2003). Au final, la moyenne européenne de production de boues par une STEP est d’environ 90 g MS/hab./j (Fytili et Zabaniotou 2008).

Table des matières

Liste des publications et communications
1 Publications
1.1 Internationales
1.2 Nationales
2 Communications
2.1 Internationales
2.2 Nationales (orales)
Liste des abréviations 
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux 
Introduction générale
Chapitre I : Filières conventionnelles de traitement des eaux résiduaires urbaines 
1 Introduction
2 Synthèse bibliographique 
2.1 Filières conventionnelles de traitement des ERU
2.2 Le traitement primaire
2.3 Le traitement biologique
2.4 Conclusions
3 Comportement des micropolluants prioritaires dans les filières conventionnelles de traitement des eaux usées
3.1 Introduction
3.2 Methods
3.3 Results and discussion
4 Qualité des rejets de STEP vis à vis des résidus médicamenteux et autres polluants
émergents
4.1 Introduction
4.2 Matériels et méthodes .
4.3 Qualité générale des rejets de STEP
4.4 PPHs dans les effluents de STEP
4.5 Conclusions
5 Conclusions du chapitre 1
Chapitre II : Filières de traitement des boues résiduaires urbaines
1 Introduction
2 Synthèse bibliographique
2.1 Les boues résiduaires urbaines (BRU)
2.2 Le traitement des BRU
Conclusions
3 Polluants prioritaires dans les boues de STEP et comportement au sein des filières de traitement des boues 
3.1 Introduction
3.2 Materials and methods
3.3 Results and discussion
4 Polluants émergents dans les boues de STEP
4.1 Introduction
4.2 Materials and methods
4.3 Results and discussion
5 Conclusions du chapitre 2
Chapitre III : Traitement tertiaire des eaux résiduaires urbaines par charbon actif 
1 Introduction
2 Synthèse bibliographique 
2.1 Théorie de l’adsorption
2.2 Adsorption des micropolluants sur le charbon actif
2.3 Efficacité du charbon actif pour éliminer les micropolluants de l’eau
2.4 Conclusions
3 Elimination des micropolluants prioritaires et émergents des rejets de STEP par charbon actif en lit fluidisé : étude du pilote CarboPlus®
3.1 Charbon actif en poudre (CAP).
3.2 Charbon actif en micro-grains (CAµG)
4 Etude du processus de sorption des micropolluants sur le charbon actif en eaux usées 
4.1 Introduction
4.2 Matériel et méthodes
4.3 Résultats et discussion
4.4 Conclusions
5 Conclusions du chapitre 3
Conclusions générales et perspectives
1 Conclusions générales
2 Retombées opérationnelles
3 Perspectives de recherche
Références bibliographiques

Télécharger le rapport complet