differents traitement eau industrielle

8/18/2019 Differents Traitement Eau Industrielle

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PARTIE A

Récapitulation des procédés de traitement

des eaux usées industrielles



Module « Eau usée », Partie A Page I

FODEP Guide des Procédés de Dépollution Industrielle

TABLE DES MATIERES

«Récapitulation des procédés de traitement

des eaux usées industrielles »

1 Motivation pour la mise en action d’une installation d’assainissement

des eaux usées industrielles .......................................................................... 1

2 Substances contenues.................................................................................... 1

3 Procédés de traitement physico-chimiques .................................................. 2

3.1 Tamisage et filtration ................................................................................. 2

3.1.1 Tamis rotatif, tamis circulaire et grilles ............................................ 3

3.1.2 Filtres .............................................................................................. 3

3.2 Séparation ................................................................................................. 5

3.2.1 Filtration de contact......................................................................... 5

3.2.2 Bassin de décantation..................................................................... 5

3.2.1 Bassin de compensation................................................................. 6

3.2.2 Séparateurs .................................................................................... 7

3.2.3 Le dessableur ................................................................................. 8

3.2.4 Hydrocyclone .................................................................................. 9

3.2.5 Flottation ....................................................................................... 10

3.3 Précipitation/floculation............................................................................ 11

3.3.1 Précipitation .................................................................................. 11

3.3.2 Floculation/coagulation ................................................................. 12

3.4 Désintoxication/neutralisation.................................................................. 13

3.4.1 Neutralisation d’eaux alcalines à l’aide d’acide minérale .............. 14

3.4.2 Les procédés d’échange d’ions..................................................... 15

3.5 Séparation des métaux lourds................................................................. 17

3.5.1 Précipitation/neutralisation/filtration .............................................. 17

3.5.2 Echangeurs d’ions......................................................................... 17

3.5.3 Microfiltration, ultrafiltration, osmose inverse ................................ 17

3.5.4 Electrodialyse................................................................................ 18



Module « Eau usée », Partie A Page II


3.6 L’oxydation chimique ............................................................................... 18

3.6.1 Chloration...................................................................................... 18

3.6.2 Oxydation par l’ozone ................................................................... 18

4 Procédés de traitement biologiques ............................................................ 20

4.1 Elimination de C/P/N ............................................................................... 20

4.1.2 Lagunes ........................................................................................ 20

4.1.3 Lit bactérien .................................................................................. 22

4.1.4 Boues activées.............................................................................. 23

4.1.5 Les procédés biologiques anaérobies........................................... 24

Bibliographie........................................................................................................... 29



Module « Eau usée », Partie A Page 1


1 Motivation pour la mise en action d’une installation

d’assainissement des eaux usées industrielles

La motivation des entreprises industrielles à investir dans les installations de traite-

ment des eaux usées peut être vue de trois aspects différents :

• le besoin de préserver ou d’améliorer la production

• en raison de contraintes et charges judiciaires

• en raison d’avantages économiques

Le premier motif concerne toutes les mesures étroitement liées à la production : cel-

les qui sont exigées afin de pouvoir maintenir la production, d’optimiser la production

(p. ex. recyclage des eaux) ou de protéger l’installation de production contre des nui-

sances provenant de l’environnement (p. ex. désalinage de l’eau). De plus, on peut

prendre des mesures de la protection de l’environnement intégrée dans la produc-tion.

Une énumération détaillée des procédés utilisés pour le traitement des eaux usées

industrielles ainsi que leurs combinaisons est représentée dans l’annexe 1.

2 Substances contenues

Un vue d’ensemble des substances les plus importantes contenues dans les eaux

usées est présenté ci-dessous:

• Les matières indésirables

• Les matières décantables / filtrables, la matière sèche

• Les matières organiques

• Les sels nutritifs (azote, phosphore, soufre)

• Les matières dangereuses

• Les matières favorisant la corrosion

• Les produits de nettoyage et de désinfection ; les lubrifiants





3 Procédés de traitement physico-chimiques

Les procédés mécaniques et physiques pour le traitement des eaux usées sont:

• les grilles et les tamis,

• la filtration,

• les procédés à membrane (osmose réversible, ultrafiltration),

• la sédimentation (bassin de décantation, déssableur),

• la flottation, la séparation des substances légères,

• le centrifugeage (séparateur, centrifugeuse),

• les bassins d’homogénéisation et de compensation,

Les procédés à majorité physico-chimique sont:

• précipitation, coagulation, filtration d’une eau coagulée,

• neutralisation,

• flottation,

• échange d’ions,

• procédés d’oxydation.

Le choix des procédés adéquats de prétraitement et d’assainissement des eaux

usées est influencé non seulement par les contraintes spécifiques mais aussi par la

composition des eaux usées. C’est pour cela qu’il faut distinguer entre les matièresdissoutes et non dissoutes .

L’élimination des produits non dissous se fait par les méthodes mécaniques et phy-

siques, celle des produits dissous par les méthodes biologiques et chimiques.

L’augmentation de l’effort technique entraîne une augmentation des coûts.

3.1 Tamisage et filtration

(voir aussi colonne « V » de l’annexe 1)

La transformation des produits naturels en produit de consommation de haute

gamme a eu dans plusieurs cas pour conséquence que des particules non dissoutes

et macroscopiques parviennent dans les eaux usées, qui forment une fraction de

matières non dissoutes facile à extraire.





3.1.1 Tamis rotatif, tamis circulaire et grilles

En partant du principe des grilles simples, un grand nombre de grilles automatiques

ont été développés. L’écart des barreaux dans les stations d’épuration est entre 20-

60 mm et ne devient inférieur que dans certains cas. Si, par exemple, l’élimination de

certains morceaux de légumes (petit pois, fèves, morceaux de carottes) dans lesusines de conserves devient nécessaire, alors l’écart des barreaux ne doit pas dé-

passer 5 mm.

Paramètre cible : matières solides de grande taille

eaux uséesbrutes eaux usées tamisées

Figure 1: Tamis continu à chaîne filtrante auto-nettoyante Aqua-Guard de la firme

Noggerath

Le diamètre d’ouverture des tamis automatiques est de 0,5 à 5 mm, les plus utilisés

sont ceux dont l’ouverture varie entre 1 à 3 mm. On utilise les tamis statiques, les

tamis rotatifs, les tamis à secousses et tamis à surfaces fendues, à tôles perforées

et à tissus de mailles.

3.1.2 Filtres

La filtration directe des eaux usées permet de remplir les prescription des normes

de rejets avec une rétention importante des matières en suspension. On utilise à cet

effet les procédés suivants, à savoir les filtres à matériaux granulaires comme espa-

ces filtrants ou les filtres à bougies comme filtration en surface.

Les filtres à matériaux granulaires sont constitués de 1 à 2 mètres de couches avec

des matériaux granulaires. Ils peuvent être utilisés comme filtres ouverts dans des

bassins de décantation ou comme filtres sous pression dans des chaudières à pres-

sion. Le matériau granulaire repose sur un lit filtrant. Les matières en suspension





sont retenues dans les espaces intergranulaires. On utilise, outre les forces mécani-

ques, les réactions d'adsorption et les forces de cohésion. Par ce processus, des

particules en suspension de densité supérieure aux pores du filtre sont filtrées. Lors-

qu'on arrive à une perte de charge de filtre, le matériau filtrant doit être nettoyé. On

le soumet alors à un courant d'eau circulant de bas en haut avec de l'air et de l'eau.

Les filtres à bougies fournissent un gâteau de filtration pratiquement sec. Les filtres à

bougies sont placés dans une chaudière et offrent une importante surface de filtra-

tion par rapport à leur volume. L'entrée d'eau s'effectue au moyen d'une pompe à

pression installée dans la chaudière et l'eau est conduite sur les filtres à bougies.

Les particules solides s'agglomèrent dans les filtres à bougies. Lorsque la pression

de filtration maximale est dépassée, le filtre s'arrête et il est vidé avec de l'air com-

primé, les particules filtrées étant alors enlevées et éliminées. Un séchage ultérieur

des particules filtrées n'est pas indispensable. En fonction de leur qualité, elles doi-

vent êtres traitées comme des matières de valeurs ou à éliminer.

La Figure 2 montre une représentation schématique d'une installation de filtration di-

recte des eaux usées.

Figure 2: Filtre à couches multiples en forme de filtre-presse fermé





3.2 Séparation

(voir aussi colonne « VI » de l’annexe 1)

3.2.1 Filtration de contact

Combinaison des principes de la précipitation et de la filtration (voir les chapitresrespectifs)

3.2.2 Bassin de décantation

La décantation des matières non dissoutes est le procédé le plus important dans le

traitement mécanique. Elle est utilisée aussi bien dans les déssableurs que lors de la

décantation primaire.

Ce procédé est le plus ancien et le moins coûteux des procédés d’assainissement.

Les matières non dissoutes suivantes peuvent être séparées :

• fraction minérale allant jusqu’à la fraction argileuse (taille moyenne des particu-

les > 1 ⋅ 10-5

m) et

• fraction coagulée suspendue (mélange eau/matière non dissoute)

Les matières non dissoutes suivantes ne peuvent pas être séparées :

• fraction colloïdale dissoute (taille moyenne des particules < 10-8

m),

• fraction dissoute (taille moyenne des particules < 10-10 m) et

• certaines bactéries.

Les huiles et les graisses, dont la densité est inférieure à celle de l’eau, peuvent être

séparées uniquement si des installations spéciales de rétention sont aménagées sur

la surface.

Deux types de bassin travaillent selon le principe de la décantation:

1. Le bassin de décantation primaire, pour la rétention des particules de boue or-

ganique dans l’eau usée.

2. Le bassin de décantation secondaire, pour la rétention et l’enrichissement de la

biomasse du bassin à boues activées

Les bassins de décantation peuvent être différenciés selon leur fonction et leur cons-

truction :





Fonction

• bassin de décantation primaire,

• bassin de décantation secondaire

• bassin de décantation intermédiaire (lors des installations à deux étages).

Construction

• bassins à écoulement horizontal,

• bassins circulaires,

• bassins longitudinaux,

• bassins à écoulement vertical

Les installations mécaniques et constructives peuvent également varier, par exem-

ple :

• la construction d’entrée et de sortie,

• la manière d’évacuation des boues,

• le dispositif d’extraction des boues flottantes.

Le principe des bassins de décantation se trouve ci-dessous.

Figure 3: Principe du bassins de décantation

3.2.1 Bassin de compensation

Les petites et moyennes entreprises produisent en majorité du lundi au vendredi. Il

n’est pas rare que les réservoirs soient vidés irrégulièrement. Un débit régulier peut

être obtenu par réserve ou l’installation des bassins d’homogénéisation et de com-

pensation.

Les bassins d’homogénéisation et de compensation sont exploités sous forme de

réacteur de vidange, ce qui signifie que les matières non dissoutes contenues dans

1 → Entrée

2 → Installation d’entrée

3 → Installation de sortie 4 → Sortie

5 → Dispositif de raclage de la boue 6 → Phase d’eau claire 7 → Boue sédimentée 8 → Volume de collectes des boues d’épuration

9 → Extraction des boues d‘épuration





les eaux usées, ainsi que la biomasse produite par les procédés de biodégradation

sont évacuées ensemble dans la canalisation.

Un avantage de ce procédé est que la boue est complètement évacuée de

l’entreprise.

L’inconvénient est que, du fait des quantités minimes de biomasse, difficile à gérer,

la réduction du DBO5 devient incomplète et instable.

Les bassins d’homogénéisation et de compensation représentent donc uniquement

un procédé de prétraitement, mais capable d’obtenir une réduction de 70 à 80% du

DBO5 s’ils sont optimisés.

3.2.2 Séparateurs

On peut citer deux types de séparateurs, à savoir:

• Séparateur de graisses

• Séparateur d’essences

Pour la flottation de matières en suspension à l’aide de bulles gazeuses

additionnelles, des installations de flottation sont nécessaires.

Les graisses d'origine végétale et animale ainsi que les huiles sont retenues dans

des séparateurs de graisses. Seules les eaux usées qui requièrent une séparation

des graisses doivent y être conduites. Les autres eaux ne doivent pas entrer dans

les séparateurs. Les eaux usées alcalines et émulsionnantes doivent être prétraitées

en conséquence. Les eaux contenant des huiles minérales ne doivent pas être trai-

tées dans ces séparateurs.

Figure 4: Séparateur de graisses





Dans les séparateurs d'essences, des liquides sont capturés dont la densité est in-

férieure à celle de l'eau et qui ne sont pas solubles et insaponifiables dans celle-ci.

Les essences sont avant tout des hydrocarbures, des huiles de gasoil et autres hui-

les minérales.

1 Eau brute 2 Eau traitée 3 Flotteur 4 Essence

Figure 5: Séparateur d’essence

Les séparateurs sont des bassins dans lesquels l'eau est introduite au-dessus de la

surface de l'eau, celle-ci étant ensuite déviée contre la semelle du bassin, par l'effet

d'une paroi plongeante, continuant à suivre ainsi jusqu'à l'extrémité du bassin où elle

rencontre une deuxième paroi qui la force à remonter pour s'écouler par l'orifice

d'évacuation du bassin. Durant le parcours à l'intérieur du bassin, les essences re-

montent par l'effet de la pesanteur à la surface de l'eau et elles s'accumulent contreles parois plongeantes. Les matières en suspension se déposent, soit dans le sépa-

rateur, soit qu'elles soient retenues par un bassin de dépôt de boue placé en amont.

On recommande de n'utiliser que des séparateurs préfabriqués et vérifiés.

3.2.3 Le dessableur

Le dessableur sépare les substances minérales jusqu’à une granulométrie limite de

0,1 à 0,2 mm, mais laisse passer les particules organiques.

Installé en aval de la grille, le dessableur remplit la fonction de libérer l’eau usée des

matières minérales rapidement décantables.





On distingue les types de dessableurs suivants :

• le dessableur profond,

• le dessableur longitudinale,

• le dessableur circulaire,

• le dessableur longitudinale aéré,

• le dessableur circulaire aéré,

• l’hydrocyclone.

Le dessableur aéré :

air

rouleau à eau

mouvement en spirale

aucune décantationde matières organiques

rigole collectrice de sable

sédiment

rouleau

aération

Figure 6: Dessableur aéré

Les bassins de dessablage aérés fonctionnent avec des bassins de volume grand et

une composante de vitesse très faible dans la direction d’écoulement.

3.2.4 Hydrocyclone

L’hydrocyclone est un appareil se composant d’un élément supérieur cylindrique

muni d’un entonnoir qui se termine vers le bas par une pointe très inclinée. Dans la

tête de l’hydrocyclone, on introduit la suspension à séparer, par mouvement tangen-tiel et avec une pression de 10 á 20 m col.eau. Les particules lourdes sont évacuées

par l’ouverture inférieure de l’hydrocyclone, alors que l’eau clarifiée peut être préle-

vée au centre de la partie supérieure, à l’aide d‘un tuyau plongeur.





Figure 7: Section d’un hydrocyclone

3.2.5 Flottation

Par flottation, on entend le rassemblement en surface de matières contenues dans

l'eau sous l'effet d'une force ascensionnelle. On connaît deux procédés technique-

ment vérifiés, à savoir:

• Electro-flottation

• Flottation par détente

Les deux procédés se distinguent par la réalisation et la dimension des bulles ga-

zeuses pour développer les forces ascensionnelles. Pour que les petites bulles ga-

zeuses adhèrent fortement aux matières contenues dans l'eau et que celles-ci ne

retombent pas au cours de la remontée, leur diamètre devra être inférieur à 0.2 m.

Pour l'électro-flottation, on produit de fines bulles gazeuses par l'action de l'élec-trolyse. A cette fin, on dispose par exemple horizontalement, en de petits interval-

les, des électrodes à plaques à plans perforées, parallèles, contre le fond d'un réci-

pient et on y applique un courant continu. A côté des électrodes insolubles, on utilise

aussi des électrodes perdues qui se dissolvent au cours de l'électrolyse et produi-

sent un effet floculent. Dans certains domaines, ce procédé est efficace mais relati-

vement non rentable. Son emploi se limite à quelques cas spéciaux.





Pour la flottation par détente, l'eau est aérée sous une pression élevée. La satura-

tion de l'air dans l'eau est proportionnelle à la pression. C'est cet air qui est introduit

dans le bassin de flottation. L'air sursaturé passe de l'état solubilisé à l'état gazeux et

il se libère sous forme de bulles gazeuses uniformément réparties. Celles-ci sont très

stables et elles se réunissent à peine entre elles. Elles montent petit à petit, et elles

se collent par adhésion aux parties d'impuretés et de flocs de l'eau en les menant

vers le haut. A la surface de l'eau, il se forme alors une couche stable d'écume.

Cette dernière est le siège de grandes forces portantes, de sorte que les matières

accumulées sont épaissies au point que leur teneur en matière solide dépasse de

beaucoup celle d'une boue de sédimentation. Cette boue surnageante, stable, est

débarrassée par des racleurs.

3.3 Précipitation/floculation

(voir aussi colonne « VI » de l’annexe 1)

3.3.1 Précipitation

La précipitation est une réaction chimique qui transforme une substance dissoute

dans l’eau en une forme non dissoute particulaire.

Les règles de dissolution entre deux partenaires peuvent être influencés ou changés

par un troisième partenaire ou par les condition du milieu comme par exemple la

température et le pH.

Dans la technique d’épuration des eaux industrielles, les processus de précipitations

ci-dessous sont les plus importants [EISENLAUER, 1995]:

• les précipitations de cation, comme par exemple le métal et l’ammonium

• les précipitations d’anion, comme par exemple le phosphate et le fluor

Précipitations de cations et métaux

La précipitation des métaux a lieu avec les mêmes produits chimiques utilisés dans

la neutralisation. Les produits chimiques les plus importants sont la soude caustique,l’hydrate de calcium et la soude. Le choix du précipitant a une influence majeure sur

le produit de la précipitation. C’est ainsi que peuvent apparaître certains alliages

d’hydroxyde, de carbonates, de sulfate, de sels basiques et de leurs mélanges, sous

différentes structures (par exemple une ou plusieurs cristallines ou une ou plusieurs

structures amorphes). Ceci présente la possibilité d’influencer la vitesse de sédimen-

tation et le volume des particules décantées à l’aide des techniques d’épuration des

eaux usées.





Précipitation d’anions

La fluorure peut être précipitée avec des alliages de Calcium au-dessus d’un pH de

7 sous forme de fluorure de calcium difficile à dissoudre. En présence d’ammonium,

la précipitation du fluorure devient plus difficile. Les précipitations de fluorure de cal-

cium peuvent être améliorées en présence de métaux et par l’addition de sel de

Fer-III. La fluorure peut aussi former des alliages difficile à dissoudre avec les ions

de plomb et de magnésium.

La précipitation du sulfate est réalisée dans la technique d’épuration des eaux

usées à grande échelle à l’aide d’hydroxyde de calcium sous forme de sulfate de

calcium (plâtre). Lors de la précipitation du sulfate sous forme de plâtre le temps de

réaction est très long (environ 50 h).

Figure 8: Réacteur de précipitation

3.3.2 Floculation/coagulation

Lors de ce procédé les particules dissoutes colloïdales ou suspendues sont trans-

formés par l’aide de coagulants et d’adjuvants de floculation en une forme facile à

extraire du milieu fluide. Par opposition à la précipitation, la coagulation/floculation

n’est pas un processus de passage chimique d’une phase à une autre.

On différencie deux procédés:

• coagulation

• floculation





Par le terme de coagulation on définit la déstabilisation des structures fines et dis-

persives allant jusqu’au systèmes colloïdales, consistant à assurer l’annulation des

charges électriques répulsives des colloïdes. L’addition de sels de fer et d’aluminium

est très appropriée.

Le Tableau 1 donne un aperçu des produits coagulants. Mis à part les coagulants de

base, la combinaison de plusieurs coagulants est utilisée.

Nom Formule de la forme cristalline

sulfate d’alumine Al2 (SO4)3*18H2O

chlorure d’aluminium AlCl3*6 H2O

sulfate ferrique Fe2(SO4)4 * 9 H2O

chlorure ferrique FeCl3 * 6 H2O

Tableau 1: Coagulants

Le choix du coagulant pour le traitement d’une certaine eau usée ne peut pas être

fait de manière systématique. Les moyens et les conditions optimaux doivent être

choisis et déterminés à l’aide d’essais comparatifs.

Souvent la floculation est précédée par la coagulation, mais elle peut être seule se-

lon certains cas.

Les adjuvants de floculation naturels sont par exemple:

• la cellulose et

• l’amidon.

Les adjuvants de floculation synthétique sont par exemple :

• l’acide polyacrylique et

• l’amide polyacrylique.

3.4 Désintoxication/neutralisation(voir aussi colonne « VIII » de l’annexe 1)

Les eaux usées fortement acides ou alcalines peuvent causer des dommages (cor-

rosion) à la tuyauterie des eaux usées et une diminution du rendement des stations

d’épuration biologiques. De plus, elles peuvent provoquer la réduction du pouvoir

auto-épurateur des eaux de surface et des perturbations d’exploitation chez les utili-

sateurs d’eaux. C’est pourquoi une valeur pH entre 6 et 9 est prescrite, en règle,





pour le rejet des eaux usées dans un réseau d’égouts ou dans une eau. Les eaux

usées dont le pH n’est pas dans ce domaine doivent être neutralisées avant d’être

rejetées.

3.4.1 Neutralisation d’eaux alcalines à l’aide d’acide minérale

Le neutralisant

La choix du neutralisant est surtout déterminée par la composition de l’eau usée, les

exigences à la qualité de l’eau usée traitée et des aspects économiques.

Les produits chimiques nécessaires pour la neutralisation représentent un facteur de

coûts ; de plus, ils peuvent entraîner l’accumulation de sels ou un débit additionnel

de boues. Pour cette raison, il faudrait épuiser toutes les possibilités afin de limiter

l’application de produits chimiques au strict nécessaire.

Il faut prendre en compte les réactions secondaires du neutralisant avec les matières

contenues dans les eaux usées ainsi que les problèmes causés par les produits de

ces réactions secondaires. De plus, la chaleur qui se développe pendant la neutrali-

sation (réaction exothermique) peut entraîner des perturbations de l’exploitation.

La neutralisation d’eaux usées acides se fait par :

• le calcaire, une suspension de calcaire ou la lait de chaux

• la lessive de soude (NaOH) ou la soude (Na2CO3)• l’échange d’ions (cationique)

La neutralisation d’eaux usées alcalines se fait par :

• l’introduction de CO2 (p. ex. gaz de fumée, gaz de processus de fermentation)

• l’acide sulfurique (H2SO4) ou l’acide chlorhydrique (HCl)

• l’échange d’ions (anionique)

Les procédés de neutralisation

On différencie les procédés discontinus (traitement en charges) et continus (traite-

ment continu) de neutralisation. Les procédés discontinus sont à choisir pour le trai-

tement de faibles quantités d’eaux usées ou lors de fortes variations de concentra-

tion.





bassin de neutralisation 1

bassin de neutralisation 2

H2SO4

NaOH

entrée sortie

puits de contrôle

air

NaOH

H2SO4

air

Figure 9 : Principe d’une installation de neutralisation discontinue

Si le débit d’eaux usées dépasse environ 25 m3 /j, les procédés continus sont plus

favorables (Figure 10) ; car les processus se déroulant très rapidement, comme la

réaction chimique lors de la neutralisation, peuvent être réalisés dans des réacteurs

de plus petite taille, ce qui n’est pas possible lors des procédé discontinus.

Lors de fortes variations de débit et des concentrations de l’eau usée à traiter, il fau-

drait installer, en amont de l’installation de neutralisation, des bassins de compensa-

tion. Le cas échéant, le prétraitement de courants partiels pourrait être utile pour ré-

duire le volume du réacteur.

bassin decompensation

Neutralisationsanlage

bassin deneutralisation

bassin dedécantation

puits decontrôle

effluent

NaOH

H2SO4

Zulauf

air

Figure 10: Principe d’une installation de neutralisation continue

3.4.2 Les procédés d’échange d’ions

Dans le procédé d’échange d’ions, certains ions d’une solution d’électrolyte sont as-

similés par le fluide et une quantité équivalente d’ions est donnée par le fluide à la

solution d’électrolyte. Les ions peuvent être des cations ou des anions. C’est pour

cela qu’on différencie entre échange de cations et échange d’anions. La plupart des

échangeurs sont des substances polymères sur lesquelles sont alliées d’autres

substances. Il existe des échangeurs sous forme de résines artificielles et des

échangeurs à base inorganique.





De même que l’adsorption, l’échange d’ions provoque un alliage réversible des parti-

cules contenues dans l’eau et d’une matière auxiliaire qui entraîne, lors de sa régé-

nération, un dépôt de matières concentrées et pauvre en matières étrangères.

Les échangeurs ci-dessous sont utilisés dans le traitement des eaux usées :

• échangeur à cations : les résines à acide sulfonique et carboxylique.

• échangeur d’anion : les résines à groupes amines.

Le choix du type d’échange est déterminé par le pH de la solution. Les échangeurs

d’anions sont efficaces aussi bien dans une solution d’acide forte que dans une solu-

tion basique forte ainsi que toutes les solutions neutres et faiblement basiques ; les

résines fortement basiques jusqu’au pH 10, les résines faiblement basiques jusqu’au

pH 8. Le terrain d’action des échangeurs de cations est pour :

les résines très acides pH 1 - 13,

les résines à acide faible pH 4 - 9 et

les résines, agent chelatant pH 1,5 - 10.

Figure 11 : Schéma d’un échangeur d‘ions

Beaucoup d’usines à sucre travaillent avec le principe d’échange d’ions. Du point de

vue de l’aménagement des eaux, la régénération des échangeurs a une grande im-

portance ; car elle entraîne de l’eau usée. Lors du traitement des jus sucrés, elle est

appliquée lors des étapes suivantes : désucrage, lavage à contre-courant, régénéra-

tion, lavage et acidification.





3.5 Séparation des métaux lourds

(voir aussi colonne « IX » de l’annexe 1)

3.5.1 Précipitation/neutralisation/filtration

Voir chapitres précédents

3.5.2 Echangeurs d’ions

Voir chapitres précédents

3.5.3 Microfiltration, ultrafiltration, osmose inverse

Si les eaux usées industrielles contiennent des matières hautement toxiques ou non

biodégradables, les procédés de traitement conventionnels, comme le traitement

biologique ou la précipitation/floculation, ne suffisent pas. Dans ces cas, il faut com-pléter les procédés conventionnels par d’autres procédés physiques ou chimiques.

Les procédés à membranes sont des procédés physiques. Comparé aux procédés

chimiques, ils ont l’avantage qu’ils n’ont pas d’influence sur les matières de façon

thermique ou chimique. Leurs inconvénients sont les énormes coûts d’énergie spéci-

fiques et les investissements hauts.

Les eaux usées provenant de l’industrie chimique et de la production de semi-

conducteurs contiennent des matières valorisables qui peuvent être récupérées à

l’aide de procédés à membranes.

On différencie les procédés de séparation selon la taille des molécules à séparer:

• la microfiltration,

• l’ultrafiltration,

• la nanofiltration et

• l’osmose inverse.

Les domaines d’application interfèrent ; car la séparation est influencée non seule-

ment par la taille des particules mais aussi par les structures moléculaires et colloï-

dales ainsi que par les interactions de la membrane et le médium de séparation.

Pour cette raison, il n’est pas toujours possible de faire une distinction claire entre

les procédés individuels.





3.5.4 Electrodialyse

La dialyse permet de séparer les matières dissoutes des colloides. Le principe réside

dans l’introduction de l’eau usée dans une cellule séparée des deux électrodes (ca-

thode et anode) par des membranes semi-perméables. Une membrane n’est per-

méable que pour les cations, l’autre uniquement pour les anions. La migration desanions vers les deux électrodes abaisse la concentration de la solution se trouvant

dans la cellule.

3.6 L’oxydation chimique

(voir aussi colonne « X » de l’annexe 1)

3.6.1 Chloration

Le chlore est employé à l’état de gaz pour l’oxydation d’eaux usées alcalines. Avecdes quantités réduites d’eau usées, on peut utiliser comme oxydants l’hypochlorite

de sodium ou l’eau chlorée. Ce procédé est, entre autres, employé pour l’oxydation

des cyanures (1 kg d’ions de cyanure pour 6,8 kg Cl).

3.6.2 Oxydation par l’ozone

Les effets de l’ozone sur les eaux usées sont :

• décoloration et amélioration de l’odeur et de la saveur,

• réduction de la turbidité, de la teneur en matières en suspension, de la DBO5 et

de la DCO,

• fractionnement de détergents et autres tensides non biodégradables,

• effet de désinfection sur des bactéries et les virus.

Etant donné que les substances organiques contenues dans les eaux usées ne sont

que partiellement oxydées, un étage de traitement complémentaire est nécessaire à

leur élimination.

La fabrication de l’ozone nécessite des installations relativement coûteuses ;





La Figure 12 représente le schéma d’une installation d’ozonisation.

Ozone

Air évacuée

Elimination de l'ozone restante

Flux de brassage

Réacteur

Ql

Ql

Ql : Concentration d'ozone

Robinet de vidange

Eaux usées industrielles

Figure 12 : Schéma de principe d’une installation d’ozonisation





4 Procédés de traitement biologiques

4.1 Elimination de C/P/N

(voir aussi colonne « XI » de l’annexe 1)

La plupart des matières contenues dans les eaux usées en forme dissoute ou colloï-

dale-dissoute peuvent être dégradées par des micro-organismes.

Lors des procédés de traitement biologique, les mécanismes de dégradation se dé-

roulant dans la nature sont intensifiés et optimisés. Les micro-organismes participant

à l’épuration des eaux usées peuvent former de diverses structures morphologiques

lors de leur assemblage :

• Si les colonies de bactéries se multiplient en suspension dans l’eau, elles sont

appelées « flocs de boue activée » traitement par boues activées

• Si elles se multiplient sur des substrats, elles forment un biofilm

procédé à biofilm

On distingue les procédés aérobies et les procédés anaérobies. Les procédés anaé-

robies sont fréquemment appliqués pour les traitement des eaux usées industrielles;

c’est pour cela qu’ils sont présentés ci-dessous de manière plus détaillée.

4.1.2 Lagunes

Pour le lagunage, on utilise des corps d’eau à grande superficie et à grand volume

qui sont créés en grande partie proche à la nature. Les lagunes se distinguent des

procédés techniques par leur simplicité, une technique de réglage et de contrôle ré-

duite, un équipement mécanique réduit et une maintenance facile. Pour le traitement

des eaux usées des localités rurales les lagunes sont plus favorables, grâce à leur

grand pouvoir tampon, que les stations d’épuration techniques à petit volume. En Al-

lemagne, les lagunes se sont maintenues en place pour de plus petits bassins ver-

sant jusqu’à une population totale équivalente de quelque milliers d’habitants.

Les réactions se déroulant dans les lagunes se rapprochent aux processus d’auto-

épuration naturelle que l’on trouve dans les eaux de surface, soit stagnantes ou

s’écoulant lentement, avec pollution organique. Les processus métaboliques essen-

tiels se déroulent dans la zone de transition entre le corps d’eau et le sédiment.

Le lagunage présente l’avantage essentiel qu’il est possible sans problèmes de trai-

ter en commun des eaux usées de systèmes unitaires et de planifier l’enlèvement

des boues à long terme, à des intervalles d’un à plusieurs ans.





Les travaux d’entretien réguliers des lagunes se limitent surtout au nettoyage des ar-

rivées et sorties et à l’enlèvement des matières flottantes ; en outre, il faut éliminer

les herbes. Toutes les semaines, les installations de raccordement et d’écoulement

sont à contrôler et, le cas échéant, à nettoyer.

En ce qui concerne la nécessité d’un étanchement artificiel, on peut se laisser guider

par les principes suivants :

• Les sous-sol fissurés et les sols avec des coefficients de perméabilité de k f ≥ 10-6

m/s réclament des mesures d’étanchement.

• Avec des coefficients de perméabilité de kf ≤ 10-8

m/s, il est possible de renoncer

à des mesures d’étanchement.

Les étanchements asphaltiques ou en béton sont coûteux, surtout au cas où une

fondation spéciale devient nécessaire par suite du sol existant sur place. Or, un tel

fond est carrossable sans problèmes, p. ex. pour enlever les boues.

Pour les étanchements en matière plastique, il faut utiliser des feuilles ou des pla-

ques avec une épaisseur d’au moins 3 mm. Au cas où celles-ci sont exposées au

soleil, il faut utiliser du matériau résistant au rayonnement ultraviolet. Pour les lagu-

nes qui doivent être carrossables, il faut assurer que le matériau d’étanchement ne

puisse pas être déplacé ou déchiré par les véhicules.

Les étanchements en couches artificielles de sol cohérent exigent un matériau avec

un coefficient de perméabilité de kf < 10-8

m/s. Le matériau est mis en couchesd’environ 30 cm et compacté jusqu’à une densité Proctor d’au moins 95 %.

En règle générale, les lagunes sont divisées en quatre zones avec des profondeurs

d’eau suivantes :

I franc-bord d’environ 0,3 à 0,5 m

II zone de décantation d’environ 0,5 à 1,5 m

III zone des boues (pour la digestion des boues) d‘environ 1,5 m

IV zone neutre de 0,3 à 0,5 m





Principes de construction :

< 1 : 1 , 5

= > 1,5 m=

~ 0,3 m

B

L

L:B > 3:1=

4.1.3 Lit bactérien

Le procédé à lit bactérien consiste à faire ruisseler l’eau usée sur un matériau de

remplissage. Des micro-organismes se fixent sur la surface du matériau et forment

un film biologique (gazon biologique). L’oxygène, nécessaire pour les processus de

dégradation aérobies, est fourni normalement par la circulation de l’air au-dessus

des parties creuses du matériau de remplissage (tirage naturel). Comme matériau

de remplissage, on utilise de la lave concassée (env. 90 m²/m³) ou des éléments en

plastique (100 - 200 m²/m³). Le choix du matériau de remplissage peut influencerl’exploitation de manière décisive. Les lits bactériens remplis de lave montrent le

meilleur rendement d’épuration.

Si l’on utilise des lits bactériens, il faut réfléchir soigneusement sur la manière de

traitement de la boue digestible provenant du décanteur primaire. Un décanteur pri-

maire est nécessaire afin d’éviter des colmatages par des particules de boue pri-

maire.





lit bactérien décanteur secondaire

effluent

vers le décanteurprimaire

reflux

puisard

du décanteur

primaire

Figure 13 : Principe du lit bactérien

Les lits bactériens ne sont pas réglables ; mais lors de dommages du gazon biologi-

que, ils se régénèrent après peu de temps d’eux-mêmes, sans intervention. Si la

puissance de rinçage est insuffisante, le lit bactérien peut colmater. Afin d’assurer

une puissance de rinçage suffisante et de tamponner des charges périodiques, il

faut prévoir un recyclage de l’eau usée. Le rapport recyclage/débit de temps sec est

exprimé par le taux de recyclage (RC).

Les lits bactériens peuvent dégrader 90 à 95 % du carbone ; une élimination partielle

de l’azote est possible, au moins dans la saison chaude, quand l’eau usée est recy-

clée par le décanteur primaire. La boue du lit bactérien est bien décantable. Il n’y aguère de problèmes avec des boues flottantes dans le décanteur secondaire.

4.1.4 Boues activées

Lors du procédé à boues activées exploité en continu, la dégradation de la pollution

organique et, le cas échéant, la nitrification/dénitrification s’effectuent par

l’intermédiaire de micro-organismes suspendus. L’oxygène nécessaire est fourni à

l’aide d’un équipement technique d’aération. Le bassin d’aération forme une unité

technique avec le décanteur secondaire où la boue activée est séparée de l’eau

usée. La boue est, en majeure partie, recyclée dans le système ; la boue en excès

est évacuée.

Les installations à boues activées peuvent être réalisées en construction modulaire,

(le bassin d’aération et le décanteur secondaire se trouvent dans des conteneurs

séparés) ou en construction compacte (la décantation secondaire et, le cas échéant,

la décantation primaire sont intégrées dans le même conteneur).





Le procédé à boues activées avec stabilisation aérobie simultanée des boues

Pour les stations d’épuration dans les régions rurales jusqu’à 5 000 équivalents-

habitants raccordés, le procédé à boues activées est réalisé le plus souvent avec

stabilisation aérobie simultanée des boues. Le procédé se diffère des installations

industrielles à boues activées surtout par l’âge de la boue (t MS > 25 j) et la haute te-

neur en matières sèches (MS) dans le bassin à boues activées (MSBB jusqu’à 5,0

kg/m3). En respectant ces conditions pendant l’exploitation, la charge massique CV

[kg DBO5 / (kg MS · j)] peut être maintenu à un faible niveau. On ne nécessite pas de

décantation primaire parce que la boue est stabilisé en grande partie grâce au temps

de séjour tellement long. Comparé aux lits bactériens et aux contacteurs biologiques,

la construction de ces installations est moins coûteuse, mais les frais d’exploitation

(au moins les frais d’énergie) sont plus élevés.

Le procédé avec stabilisation simultanée des boues présente les avantages sui-vants :

• un bon rendement d’épuration (surtout en ce qui concerne la DBO5 et la DCO)

• une haute capacité de chargement ; les grands volumes des bassins d’aération

sont bien capables de tamponner les fluctuations qui sont typiques pour les peti-

tes valeurs de raccordement

• une haute sécurité de fonctionnement grâce au pouvoir tampon et à la simplicité

du procédé

• une technique simple de stabilisation des boues

• la possibilité de dégrader complètement les matières nutritives, en créant des zo-

nes anaérobies additionnelles pour assurer la dénitrification

Mais le procédé a aussi ses inconvénients :

• Il est sensible à la température ce qui pose des problèmes particulièrement en

hiver : il en résulte un degré de stabilisation diminué ; en outre, les temps

d’aération doivent être prolongés pour assurer le fonctionnement parfait.

4.1.5 Les procédés biologiques anaérobies

Lors des procédés biologiques anaérobies, on différencie entre les procédés anaé-

robies de stabilisation des boues (digestion des boues) et les procédés anaérobies

de traitement des eaux usées. Dans la suite, seulement les procédés anaérobies de

traitement des eaux usées sont considérés.





Afin d’éliminer les polluants organiques par des procédés anaérobies, il faut viser

leur transformation en biogaz (CH4, CO2) provenant de la boue ou de l’eau usée,

constituant une « étape d’épuration ». Pour la dégradation complète de substances

organiques en produits finaux inorganiques et méthane, plusieurs étapes de dégra-

dation doivent s’enchaîner, ce qui signifie aussi la participation de groupes de bacté-

ries différents.

Selon le niveau actuel des connaissances, la dégradation anaérobie se déroule

comme montrée:

1. Hydrolyse → bactéries hydrolysantes

2. Acidification → bactéries acidifiantes

3. Acétogenèse → bactéries acétogènes

4. Méthanogenèse → bactéries méthanogènes

Le champ d’action du traitement anaérobie est limité à des eaux usées à pollution

relativement haute (DCO entre 3.000 et 40.000 mg/l) provenant de l’industrie alimen-

taire (industrie sucrière, fabrication d’amidon, de levure, transformation de fruits et de

légumes, distilleries) ainsi que de l’industrie de papier et de cellulose. Ces derniers

temps, on a réussi à appliquer certains systèmes anaérobies également pour des

eaux usées à plus faible pollution (DCO entre 1.500 et 3.000 mg/l), p. ex. provenant

de brasseries, de laiteries ou de l’industrie de boissons rafraîchissantes.

Les techniques les plus importantes du traitement anaérobie sont expliquées ci-dessous.

Le traitement par boues activées anaérobie (procédé à contact)

Comparées aux procédés à haut rendement (réacteur UASB, réacteurs à lit fixe ou à

lit fluidisé) décrits ci-dessous, les concentrations de biomasse dans les réacteurs des

procédés à contact ne sont pas si fortes. Pour cette raison, ils sont exploités à des

taux de charge volumique relativement faibles (le plus souvent, environ 5 kg

DCO/m³/j). Ils sont peu sensibles aux perturbations, ce qui est leur plus important

avantage. On ne rencontre surtout pas de problèmes de colmatage.

Comme la biomasse n’est pas fixée, sa séparation et son recyclage sont d’une im-

portance décisive. Normalement, la séparation de la biomasse se fait par décanta-

tion, c.-à.-d. en utilisant des décanteurs conventionnels, internes ou externes, ou des

séparateurs à lamelles. Même en dehors du réacteur, la boue anaérobie continue à

dégager du gaz et ainsi à flotter ; c’est pourquoi un dispositif de dégazage, installé

entre le réacteur à méthane et le séparateur, est souvent nécessaire. Le dégazage





peut se faire par dégazage à vide, par stripping ou par refroidissement, ou en utili-

sant des agitateurs à faible vitesse.

entréeboues de retour

gaz

sortie

b r a s s a g e

procédé à boues activéesprocédé à contact

avec concentration de la biomasse,

réacteur à un étage, fonctionnant en continuavec concentration de la biomasse

Figure 14 : Principe du traitement par boues activées anaérobie

Les réacteurs à lit de boues, réacteur UASB

Le principe des réacteurs à lit de boues repose sur la formation d’une boue granulée

qui, grâce à sa taille (diamètre de plusieurs millimètres) et à sa forme ronde et com-

pacte, est bien sédimentable et, par conséquent, ne peut pas être évacuée du sys-

tème. Cette boue s’accumule au sol du réacteur comme lit de boue, sa hauteur de-vrait être au maximum la moitié du niveau de l’eau. L’eau usée est amenée par le sol

dans le lit de boue. Dans la partie supérieure du réacteur se trouve le séparateur à

trois phases où se déroule, outre le dégazage, la séparation des matières solides de

l’eau usée. Le brassage nécessaire est obtenu, en premier lieu, par le développe-

ment du gaz lors de la dégradation anaérobie. Ce procédé est adéquat en particulier

pour des eaux usées faiblement polluées et pauvres en matières solides. A partir

d’une DCO > 20.000 mg/l, les réacteurs à lit de boue ne sont plus adéquats. A pré-

sent, les réacteurs à lit de boue sont le plus fréquemment utilisés. Un avantage de

ce procédé est la formation de pellets qui permet la mise en marche rapide après

une longue pause d’exploitation et la réutilisation des micro-organismes par exemple

comme boue d’ensemencement.





entrée

sortie

l i t d e b o u e

s

gaz

réacteur UASB

avec concentration de la biomasse

Figure 15 : Principe du réacteur UASB

Les réacteurs à lit fixe (Fixed-Film Reactor)

Les surfaces d’accumulation contenues dans le réacteur à lit fixe doivent augmenter

la concentration de la biomasse dans le système et doivent obtenir une réduction du

problème de la rétention des boues. Il existe des réacteurs à flux vers le haut ou à

flux vers le bas. Le réacteur à flux vers le bas se distingue du lit bactérien aérobie

seulement par le fait qu’il est anaérobie où la matière est entassée. Les réacteurs à

lit fixe sont remplis jusqu’à 90 % de leur volume avec du matériel entassé ou en vrac

qui sert de surface de fixation pour les micro-organismes. Dans le passé, on a testé

une multitude de matériaux naturels (gravier, scorie de lave, charbon actif, coquil-

lage, argile expansée, écailles de granit). Ces derniers temps, on utilise presque ex-clusivement des matériaux de fixation en plastique. Grâce à leur porosité élevée, le

risque de colmatage est faible ; de plus, ils ont une large superficie spécifique et un

faible poids spécifique. Il est plus efficace d’exploiter les réacteurs à lit fixe à flux

vers le haut. Mais si les eaux usées sont très riches en matières solides, il est re-

commandé de l’exploiter à flux vers le bas, en particulier pour le traitement d’eaux

usées fortement polluées (DCO entre 10.000 et 70.000 mg/l).





entrée

gaz

sortie

b r a s s a g e

l i t f i x e

réacteur à lit fixeréacteur filtrant

Figure 16 : Principe du réacteur anaérobie à lit fixe

Le réacteur à lit fluidisé (Fluidised Bed)

Dans ces réacteurs, le matériel de fixation (sable, ponce ou pellets plastiques) est

maintenu en suspension. D’un côté, le brassage doit être assez efficace afin de

maintenir le matériel en suspension, de l’autre côté, un brassage trop fort peut en-

traîner le décollement de la biomasse. Dans le réacteur à lit fluidisé, le matériel de

fixation est en mouvement continu, l’expansion du lit est de 50 % et plus. Afin

d’obtenir un rendement espace-temps de 20 kg de DCO/(m3 ⋅ j) et plus, il est

indispensable d’alimenter les réacteurs à méthane avec une quantité la plus cons-

tante possible d’eau usée, exempte de matières solides et suffisamment acidifiée.

C’est pourquoi toutes les installations à grande échelle ont deux étages, c.-à.-d. ellespossèdent un étage d’acidification séparé. Lors des installations à grande échelle,

l’eau usée à traiter est faiblement polluée (DCO en moyenne entre 1.500 et 3.600

mg/l).

entrée

gaz

sortie

b r a s s a g e

réacteur à lit fluidisé

Figure 17 : Principe du réacteur anaérobie à lit fluidisé





Bibliographie

Industrielle Wasserwirtschaft

Documentation du cours, ISAH Hannover, SS 98

Gestion des rejets hydriques industriels en Tunisie

Modules d’enseignement, rédigé par Prof. Dr. K. H. Kienzle

Technologie des eaux résiduaires

Production, collecte, traitement et analyse des eaux résiduaires

Springer Verlag, France, Paris 1990

Industrieabwasser – Grundlagen

ATV-Handbuch, 4. Auflage, Ernst & Sohn Verlag, 1999

Mechanische Abwasserreinigung,

ATV-Handbuch, 4. Auflage, Ernst & Sohn Verlag, 1997



Annexe



Module « Eau usée », Partie A Annexe

M e s u r e s

i n t e r n e s

à

l a p r o

d u c

t i o n

T r a

i t e m e n

t p

h y s i c

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i q u e

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d ' e a u

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f i l t r a t i o n

S é p a r a t i o n

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f l o c u l a t i o n

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S é p a r a t i o n d e s

m é t a u x l o u r d s

O x y d a t i o n

c h i m i q u e

E l i m i n a t i o n

d e C / P / N

T r a i t e m e n t m é c a n i q u e

T r a i t e m e n t c h i m i q u e

P r é c i p i t a t i o n

E c h a n g e u r

d ' i o n s

O s m o s e

i n v e r s e

E l e c t r o l y s e

P r é c i p i t a t i o n

C i m e n t a t i o n

F i l t r a t i o n

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d ' i o n s

A d s o r p t i o n

M i c r o f i l t r a t i o n

O s m o s e

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M é l a n g e

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B a s s i n d e

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f l u x h o r i z o n t a l

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I n s t a l l a t i o n

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m é l a n g e

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S é p a r a t e u r s à

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F l o t t a t i o n s o u s

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E l e c t r o f l o t t a t i o n

S é p a r a t e u r s d e

m a t i è r e s

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D e s s a b l e u r s

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L i t b a c t é r i e n

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R é a c t e u r s

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" u p - f l o w "

( U A S B )

E l i m i n a t i o n

d u p h o s p h a t e

R é a c t e u r s à

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d e s m é t a u x

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I X

V I I I

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V

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I I I

I I

I 1 2 3 4 5

4 5 3 2 1

1

1

1

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1

1

1

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1

2

2

2

2

2

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2

3

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3

3

4

4

4

4

5

5

5

6

6

6

6 7

7

7 8

B a s s i n d e

c o m p e n s a t i o n

9

P r o c é d é

a n a é r o b i e d e

c o n t a c t

8

B a s s i n

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9

differents traitement eau industrielle

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