Les eaux usées et les traitements des eaux résiduaires

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Les matières oxydables

Le rejet de matières organiques dans le milieu naturel conduit à une dégradation de ces matières organiques, provoquant la consommation de l’oxygène du milieu. Une simulation de cette consommation en oxygène a été établie en utilisant :
– une oxydation chimique de l’effluent. C’est ce qui a été développé dans la méthode de la DCO (demande chimique en oxygène).
La Demande Chimique en Oxygène (DCO) est la mesure de la quantité d’oxygène nécessaire pour la dégradation chimique de toute la matière organique biodégradable ou non, contenue dans les eaux à l’aide du bichromate de potassium à 150°C. Elle est exprimée en mg O2/l.
– une dégradation par voie biochimique (biodégradation) en mettant l’échantillon en présence d’une population de microorganismes. Cela a donné naissance au paramètre DBO (demande biochimique en oxygène).
Ce paramètre mesure la quantité d’oxygène nécessaire à la destruction des matières organiques grâce aux phénomènes d’oxydation par voie aérobie. Pour la mesurer, on prend comme référence la quantité d’oxygène consommée au bout de 5 jours ; c’est la DBO5.
Optimisation d’une station d’épuration d’eaux usées par traitements biologiques aérobies : cas
de l’usine boissons gazeuses STAR Andraharo
La valeur du rapport DCO/DBO indique le coefficient de biodégradabilité d’un effluent, qui dépend de son origine.
– DCO/DB05 < 3 effluent facilement biodégradable
– 3 < DCO/DB05 < 5 effluent moyennement biodégradable
– DCO/DB05 > 5 effluent difficilement biodégradable, voire non biodégradable. [4]
L’azote et le phosphore
L’azote et le phosphore sont des nutriments indispensables pour le développement des êtres vivants pourtant leur rejet et leur présence excessifs dans les milieux aquatiques sont néfastes et contribuent à l’eutrophisation de ces derniers (prolifération excessive d’algues et de planctons. Leurs équilibres sont alors bouleversés. L’eutrophisation est donc une menace aussi bien pour la faune que pour la flore. D’une manière générale, les perturbations engendrées peuvent être de nature diverses :
– physico-chimiques : modification des paramètres physico-chimiques du cours d’eau initial (pH, température, teneur en oxygène dissous, augmentation de la turbidité et des matières en suspension, enclenchement du processus d’eutrophisation, etc.) ;
– biologiques : perturbation de l’équilibre biologique..

L’azote :

L’azote est présent dans les eaux usées sous les différentes formes chimiques suivantes : ion ammonium NH4+, ion nitrite NO2- et ion nitrate NO3-. Plusieurs analyses pour déterminer la teneur en azote sont possibles :
– azote total : représente la somme de tous ces composés,
– azote Kjeldahl : représente l’azote organique et l’azote ammoniacal, Dans l’azote organique sont inclus ceux des amines, des amides, de l’urée, de l’acide uréique etc.
– azote ammoniacal, (NH3)
– nitrates (NO3-)
Optimisation d’une station d’épuration d’eaux usées par traitements biologiques aérobies : cas
de l’usine boissons gazeuses STAR Andraharo
– nitrites (NO2-)

Le phosphore

Le phosphore est présent dans l’eau sous plusieurs formes : phosphate, polyphosphate, phosphore organique etc. L’ion orthophosphate (PO43-) est la forme la plus abondante dans l’eau et provient en majeure partie des déjections animales et des produits de lessive. Il joue un rôle important dans la respiration des cellules vivantes, dans le stockage et le transfert de l’énergie. A concentration élevée dans l’eau, il provoque l’eutrophisation. La protection des milieux aquatiques induit l’abattement du phosphore.
Par contre, la réutilisation des eaux à des fins agricoles ne nécessite pas une réduction des teneurs en azote et en phosphore.

Les types de traitements des eaux usées

Traitements primaires

Les traitements primaires ou prétraitements préparent l’effluent brut avant les traitements biologiques qui sont les principaux traitements.

Traitements physiques

Les traitements physiques ont pour but d’éliminer les déchets grossiers, les sables, les huiles et graisses. Ils sont situés en amont des traitements biologiques afin de protéger les ouvrages des détériorations causées par ces déchets. Il y a le dégrillage pour enlever les déchets grossiers, le dessablage pour enlever les sables et le déshuilage pour séparer l’eau brute des huiles et des graisses.

Traitements chimiques

Des rectifications chimiques doivent être faites avant les traitements biologiques. Le pH doit être entre 6,5 et 8. Plusieurs méthodes pourront être adoptées afin de régulariser le pH mais l’ajout d’acide dans un bassin tampon reste la plus utilisée.
Des éléments nutritifs sont indispensables pour la survie des micro-organismes épurateurs : le Carbone (C), l’Azote (N) et le Phosphore (P). Ces derniers doivent être dans un équilibre pondéral. Le taux en éléments chimiques nutritifs des micro-organismes doit être équilibré en suivant le rapport : C/N/P = 100/5/1. Pour les traitements aérobies à l’effluent brut, on doit ajouter des éléments nutritifs qui sont l’azote et le phosphore. Le taux d’azote peut être augmenté par l’introduction d’urée et celui de phosphore par l’ajout d’acide phosphorique.
Le traitement biologique est la principale étape de traitement d’une station d’épuration d’eau usée. Il fait appel aux activités biologiques pour consommer la plus grande partie des matières organiques présentes dans les eaux usées. Il existe plusieurs types de traitements mais on peut les diviser en deux groupes : les traitements biologiques aérobies et les traitements biologiques anaérobies.
Les procédés aérobies utilisent des micro-organismes qui ont besoin d’oxygène, ce sont les procédés aérobies en culture libre : épuration par boue activée et lagunage et les procédés aérobies en culture fixée : lit bactérien et biofiltration.
Les procédés anaérobies utilisent le pouvoir épurateur de micro-organismes anaérobies pour éliminer les pollutions par méthanisation..

Traitements biologiques aérobies

Culture libre ou boue activée

Le procédé par boues activées met en œuvre un réacteur aérobie avec des biomasses en suspension. Il fut mis au point à Manchester en 1914 par ARDEN et LOCKETT. Le procédé reproduit industriellement l’effet auto-réparateur rivières. La dégradation des éléments polluants par les microorganismes (bactéries, protozoaires, métazoaires) étant la base du principe d’épuration par boues activées, suivi de la séparation des biomasses et de l’eau épurée par décantation. [7] Pour le procédé par boue activée, dans un bassin aéré, la boue formée par les microorganismes épurateurs et l’eau à épurer sont mélangés. L’ensemble forme la liqueur mixte ou liquide interstitiel. La décantation se fait dans un clarificateur spécialement aménagé, l’eau et la boue se séparent. Une partie de la boue est renvoyée dans le bassin d’aération pour assurer une concentration constante de la biomasse. Une autre partie est éliminée ou valorisée après avoir fait l’objet d’un traitement d’épaississement..
La boue activée :
Les micro-organismes responsables de l’épuration s’agglomèrent sous forme de flocs et se développent en utilisant la pollution comme substrat nécessaire à la production d’énergie vitale et à la synthèse de nouvelles cellules vivantes (Figure 1). Une partie des éléments polluants qui n’est pas dégradée biologiquement peut être adsorbée et incorporée aux flocs de boues.

Traitements biologiques anaérobies

La méthanisation ou digestion méthanique est un traitement biologique de dépollution des effluents liquides organiques par fermentation anaérobie. La digestion assure la conversion de la majeure partie du carbone organique en un biogaz combustible composé en grande partie de méthane.
La cinétique des réactions mises en jeu dans la méthanisation est lente ce qui se traduit par un investissement élevé compte tenu de l’importance en volume des réacteurs biologiques anaérobies.
La digestion anaérobie s’effectue spontanément lorsqu’une pollution organique concentrée est maintenue en l’absence d’oxygène.
Les processus biochimiques intervenant dans la dégradation anaérobie des composés organiques s’opèrent en deux étapes essentielles :
— une phase acide de liquéfaction (hydrolyse) des composés organiques aboutissant à la formation d’acides gras volatils ;
Cette phase fait intervenir des bactéries spécifiques aérobies facultatives ou anaérobies du genre Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus, Streptococcus, etc., qui sécrètent des enzymes extracellulaires capables d’hydrolyser les macromolécules organiques complexes (protéines, lipides, hydrates de carbone) de l’eau résiduaire, en molécules plus petites qui serviront de substrats aux bactéries méthaniques.
L’hydrolyse conduit principalement à la formation de molécules, de faible masse moléculaire, appelées acides volatils. Ce sont essentiellement des acides gras en C2, C3, C4, C5, c’est-à-dire les acides acétiques, propionique, butyrique, valérique et isovalérique.
— une phase de gazéification : acétogénèse et méthanogénèse dont les produits finals sont le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2).
Dans la seconde phase, l’acétogénèse permet d’abord la transformation des acides volatils à longues chaînes en acide acétique et hydrogène.
Les réactions mises en jeu sont décrites par les réactions :
Propionate + 3H2O acétate + 3 H2 + HCO3- + H+
Butyrate + 2 H2O 2 (acétate) + 2H2 + H+
La méthanogénèse assure ensuite par des bactéries anaérobies strictes, la transformation des acides volatils en produits gazeux finals CH4 et CO2. Plusieurs espèces de bactéries méthaniques interviennent : Certaines assurent la dégradation des acétates selon la réaction :
CH3CO2- + H2O CH4 + HCO3-
(Environ 70 à 75 % du méthane produit en digestion anaérobie).
D’autres utilisent comme source d’énergie l’hydrogène « arraché » enzymatiquement aux composés organiques qui, lors d’une réaction de réduction du CO2, est à l’origine de la production de méthane selon la réaction
HCO3- + 4 H2 + H+ CH4 + 3 H2O
La Figure 7 résume les différentes étapes du traitement biologique anaérobie.

Déshuilage et dégraissage

L’effluent brut contient de faibles quantités d’huile et de graisse qui flottent facilement. Dans un bassin, l’eau et l’huile sont séparées par décantation. Un racleur et une pompe flottante assurent l’enlèvement des particules flottantes, l’eau déshuilée passe par le fond du bassin pour poursuivre les étapes de traitement.

Dessablage

L’effluent à traiter ne contient que très peu de particules sableuses. Une succession de lits de décantation superposés suffisent pour le dessabler. Les particules de sable se déposent au fond des lits et sont enlevés périodiquement.

Traitements chimiques

Neutralisation du pH

Le pH de l’effluent brut peut varier selon le type de produit s’y trouvant. Il peut être acide pH < 7 ou basique pH > 7. Pour le traitement biologique, le pH du milieu doit être entre 6,5 et 8.
La méthode la plus simple pour neutraliser un effluent est d’y ajouter de l’acide pour un effluent basique, ou de la base pour un effluent acide. La neutralisation se fait dans le bassin d’égalisation. Dans notre cas, avant toute modification, l’effluent brut est basique, son pH est entre 12 et 10. On le neutralise à l’aide d’injection d’acide sulfurique à 98%. La neutralisation se passe dans le bassin d’aération qui est aussi le bassin d’égalisation. Une sonde à pH mesure le pH dans le bassin d’aération et injecte de l’acide quand le pH est supérieur à 8. L’injection s’arrête lorsque le pH détecté par la sonde est égal à 7.

Ajout d’éléments nutritifs pour les micro-organismes

L’ajout d’éléments nutritifs se fait dans le bassin de prétraitement. Il n’existe pas d’appareil de mesure en ligne permettant d’analyser le teneur en azote N ou en phosphore P mais une étude doit être faite au préalable. Le calcul de l’azote et 36 Mémoire de fin d’études/Mention Génie des Procédés Chimiques et Industriels du phosphore nécessaires est fait en se basant sur la valeur moyenne du DB05. En se basant sur la valeur moyenne du DBO5 on fait le calcul de l’azote et du phosphore nécessaire. Rappelons que le rapport doit être : DBO5/N/P = 100/5/1.
Le débit d’introduction des produits se fait ensuite automatiquement par régulation de la pompe doseuse par rapport au débit à l’entrée du bassin tampon. L’urée est utilisée comme source d’azote et l’acide phosphorique comme source de phosphore. L’étude de l’effluent brut à traiter montre que le taux en phosphore est équilibré par rapport au DBO5. De ce fait, on ne rajoute que de l’azote à l’aide de l’urée.

Table des matières

Chapitre I : Les eaux usées et les traitements des eaux résiduaires
Introduction
I. Généralités sur les eaux usées et le traitement des eaux résiduaires
Définitions
I.1.1. Eau usée
I.1.2. Traitement d’eau usée
I.1.3. Traitement biologique
Les eaux résiduaires
I.2.1. Origine des eaux résiduaires
I.2.1.1. Eaux techniques
I.2.1.2. Eaux de lavage : sols, machines, bouteilles
I.2.1.3. Eaux de fabrication
I.2.1.4. Eaux des services généraux
I.2.2. Nocivité et effets de la pollution sur le milieu naturel
I.2.2.1. Pollution insoluble
I.2.2.2. Pollution toxique
I.2.2.3. Pollution organique
I.2.2.4. Pollution azotées et phosphorées
I.2.2.5. Autres types : pollution thermique et pollution radioactive
II. Critères globaux de pollution
Les matières en suspension (MES)
Les matières oxydables
L’azote et le phosphore
II.3.1. L’azote
II.3.2. Le phosphore
Les substances à effets toxiques
III. Les types de traitements des eaux usées
Traitements primaires
III.1.1. Traitements physiques
III.1.2. Traitements chimiques
Traitements secondaires – Traitements biologiques
III.2.1. Traitements biologiques aérobies
III.2.1.1. Culture libre ou boue activée
III.2.1.2. Culture fixée
III.2.1.3. Lagunage aérée
III.2.2. Traitements biologiques anaérobies
Clarification
Traitements tertiaires
Traitement des boues
Conclusion
Chapitre II : Cas de la Station d’Epuration des Eaux Usées de l’Usine Boisson Gazeuse STAR Andraharo
Introduction
I. Présentation de l’entreprise
Informations sur l’entreprise
Historique
Activités
Usine Boisson Gazeuse Andraharo
II. La Station de Traitement et d’Epuration de l’usine Andraharo
Traitement primaire ou prétraitement
II.1.1. Traitements physiques
II.1.1.1. Dégrillage
II.1.1.2. Déshuilage et dégraissage
II.1.1.3. Dessablage
II.1.2. Traitements chimiques
II.1.2.1. Neutralisation du pH
II.1.2.2. Ajout d’éléments nutritifs pour les micro-organismes
II.1.3. Autres équipements
II.1.3.1. Mesure de débit
II.1.3.2. Bassin de relevage
Traitements secondaires : les traitements biologiques
II.2.1. Traitement biologique aérobie par culture bactérienne libre
II.2.1.1. Principe
II.2.1.2. Paramètres de contrôle
II.2.2. Traitement biologique aérobie par culture bactérienne fixée
Principe
II.2.3. Clarification
Principe
II.2.4. Filtre à sable
Conclusion
Chapitre III : Etat des lieux, études d’améliorations et réalisations
I. Résultats d’analyses avant améliorations
II. Analyse des problèmes
DCO et DBO5 de l’effluent brut élevées
II.1.1. La destruction massive de produits finis et matières premières impropres à la consommation
II.1.2. Des pics de pollutions inopinés
Traitement de l’effluent brut inefficace
II.2.1. Le pH du bassin d’aération non homogène
II.2.2. Ajout de nutriments non étudié
II.2.3. Effluent brut à débit et à pollution variable
II.2.4. Suivi d’oxygénation inexistant
II.2.5. Mauvaise aération du bassin biologique
II.2.6. Difficultés de décantation
II.2.7. Absence de matériel d’étude microbiologique
III. Actions correctives et résultats
Contrôle des destructions et vigilance par rapport aux déversements accidentels et provisoires
Résultats obtenus
Régularisation du pH de l’effluent brut avant son entrée dans le bassin d’aération
Résultats obtenus
Régularisation des nutriments
Résultats obtenus
Suivi de l’oxygénation dans le bassin d’aération
Gestion de la concentration de boues
Diminution de la DCO de l’effluent traité
IV. Perspectives
Bassin tampon ou bassin d’égalisation
Débitmètre en ligne
Augmentation de l’oxygénation
Bassin clarificateur en norme
Conclusion
Conclusion générale
Annexe A : NORMES DE REJETS DES EAUX USEES
Références

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