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Technologies de traitement des Eaux usées

Cours préparé par Pr Laila MANDI

Introduction De toutes les ressources naturelles, l’eau est celle qui est la plus essentielle à la vie La rareté des ressources et leur précarité imposent leur sauvegarde par une meilleure maîtrise de l’environnement Le Maroc, comme tous les pays soumis aux aléas d’un régime climatique aride et semi aride, se doit de considérer les eaux usées comme une ressource potentielle en augmentation croissante dans toutes les zones urbaines Par exemple, à Marrakech de 1976 à 1999, le volume d’eau usée rejetée est passé de 14 000 m3/j à 50 000 m3/j et les prévisions estiment ce volume à 150 000m3/j en l’an 2015.

Le rejet de ces déchets liquides dans l’environnement

 un risque de pollution: présence de substances dangereuses (métaux lourds, polluants organiques…)

Nécessité d’un traitement préalable.  Le traitement des eaux usées présente un aspect pluridisciplinaire :  de protection de l’environnement (dépollution)  de valorisation des ressources en eau (qui peut être réutilisée pour l’irrigation…).

 Plusieurs procédés de traitement des eaux usées ont été mis au point : traitements extensifs traitements intensifs

PROCEDES EXTENSIFS D' EPURATION DES EAUX USEES On distingue des systèmes à : – Cultures libres • Lagunage naturel (microphytes, macrophytes) • Lagunage aéré • Lagunage à Haut rendement ou chenal algal

– Cultures fixées • Infiltration-percolation • Filtre planté à écoulement vertical • Filtre planté à écoulement horizontal

Techniques extensives à cultures libres

Le processus de cultures libres repose sur le développement d’une culture bactérienne, de type aérobie principalement. L’oxygène provient de diverses sources selon les filières

Lagunage naturel

Caractéristiques générales  Le lagunage naturel est une technique extensive de traitement des eaux usées  Convient aux agglomérations de petite et moyenne importance  C’est un traitement biologique dont le processus se rapproche de l’auto- épuration naturelle des cours d’eaux.  Le pouvoir auto épurateur se base essentiellement sur les interactions entre les communautés biologiques vivantes (algues et bactéries) dans le milieu et les facteurs physico chimiques qui y règnent

.

Caractéristiques générales

Schéma simplifié du fonctionnement d’un lagunage naturel

Caractéristiques générales  Il existe plusieurs types de bassins de lagunage naturel qui peuvent être classés selon leur régime: • Anaérobies : sortes de prédigesteurs exposés à l’air • Aérobies : fonctionnement grâce à une association typique d’algues et de bactéries (complétée éventuellement par une aération mécanique) • Facultatifs : zone supérieure aérobie et zone inférieure anaérobie

Caractéristiques générales  Bassin anaérobie Profondeur : 2 à 5 m Temps de séjour : de 3 à 5 jours Placées en tête de traitement = siège d’un traitement bactérien anaérobie  activé par les températures élevées  stoppé à des températures inférieures à 10°C Les boues accumulées au fond du bassin, subissent une digestion avec production de méthane (CH4), de CO2, et de H2S.

Caractéristiques générales  Bassin aérobie ou facultatif Traitement secondaire Profondeur de 1 à 1.5m un temps de rétention de 10 à 30 jours. Développement de microalgues Photosynthèse Oxygène Installation d’une population bactérienne

Décomposition de la matière organique. Des matières en suspension accumulés au fond des bassins sont dégradés anaérobiquement.

Caractéristiques générales  Bassin de maturation Traitement tertiaire en aval des lagunes facultatives, Profondeur : 1 à 1.5 m. Temps de rétention : 10 à 20 jours. Rôle: Réduction de la DBO, des solides en suspension et des nutriments (azote et phosphore). Abattement de germes témoins de contamination fécale et de pathogènes.

Caractéristiques générales  Lagunage à macrophytes Utilisé généralement en fin de traitement (tertiaire) Profondeur de 0.2 à 0.5 m végétaux aquatiques flottants ex. jacinthes d’eau, lentilles d’eau

Réduction du nombre d’algues contenues dans le rejet Abattement supplémentaire des éléments nutritifs

Principes de dimensionnement des lagunes Deux méthodes sont proposées et consistent à prévoir  Soit 3 lagunes disposées en série, respectivement de 6 m2/ EH, de deux fois 2,5 m2/ EH.

 Soit 2 bassins anaérobies en parallèle sans interrompre le processus épuratoire

curage d’un bassin

Suivi d'un bassin facultatif (ou 2 en parallèle si la charge est importante), et d'éventuels bassins de maturation biologique

décontamination

Avantages Rendements épuratoires satisfaisants Bonne adaptation aux fluctuations de charges hydraulique et organique Besoins en personnel non qualifié (exploitation simple) Faible coût d’exploitation Intégration harmonieusement dans le paysage rural.

Inconvénients Requiert des qualités de sol et de sous-sol particulières, Occupe une surface importante, Rejet de matières organiques en suspension, Procédé sensible aux variations climatiques (température et ensoleillement), Odeurs désagréables passagères.

Un équivalent-habitant (1 E.H) = Quantité de matières polluantes réputée être produite journellement par une personne. En moyenne par habitant et par jour : -180 litres d'eau usée; -90 g MES (matière en suspension); -60 g DBO5 (demande biologique en oxygène à 5 jours); -135 g de DCO (demande chimique en oxygène); -10 g d'azote; -3,5 g de phosphore.

Filière de traitement par lagunage naturel

lagunage naturel de Marrakech

Vue aérienne de la station d’épuration de SAADA

Station de lagunage de SAADA

TP de LP-Gamu

Lagunage à haut rendement

Introduction  Le chenal algal à haut rendement (CAHR) est l’un des procédés

biologiques extensifs utilisé dans l’épuration des eaux usées. Ce CAHR a été développé par OSWALD (1960) en Californie. L'utilisation de cette technique permet à la fois l'épuration des eaux usées et la production de la biomasse algale d'intérêt alimentaire. Cette double performance découle des propriétés des microalgues.

Principe de fonctionnement du CAHR Le CAHR se distingue des autres bassins de lagunage traditionnel par :  sa faible profondeur (0.30 à 0.60 m),  une agitation mécanique,  un temps de séjour court, 4 à 10 jours selon les conditions

climatiques. Le CAHR est connu comme un véritable réacteur de culture intensive d’algues. Ce système de traitement des eaux usées est basé en fait sur l’interaction symbiotique entre les bactéries hétérotrophes et les cellules algales produites dans ce lagunage.

Epuration des eaux usées par la symbiose alguesbactéries selon Oswald (1977).

Les algues captent l’énergie solaire pour la photosynthèse. Elles prélèvent ainsi les éléments nutritifs du milieu (azote et phosphore essentiellement), et enrichissent l’eau en oxygène dissous (OD). Les bactéries à elles, utilisent cet oxygène pour l’oxydation de la matière organique (source de carbone et d’énergie) de l’eau usée en CO2, utilisable par les algues, et en H2O. La minéralisation de la MO par les bactéries libère aussi les éléments minéraux (C, N et P) qui seront utilisés par les algues.

Chenal algal pilote (Marrakech)

Construction du chenal algal (Commune Saada)

L’installation des systèmes d’agitation

Mise en eau

Comparaison Consommation Roue à aube et Air lift A : consommation de l’air lift :195W pour une surface de 95m², B: consommation de la roue à aube : 600W pour une surface de 100m²,

Techniques extensives à cultures fixes

Le processus de cultures fixes repose sur le développement d’une culture bactérienne fixée sur un support

Infiltration percolation

 L’infiltration percolation est une technique extensive

d’épuration des eaux usées, conçue comme un traitement secondaire pour des petites collectivités ou comme un traitement tertiaire qui accompagne le rejet des effluents d’une station d’épuration dans une nappe phréatique.

 C’est un procédé aérobie à biomasse fixée .

Principe  L’épuration

des

eaux

usées

par infiltration-percolation

consiste à faire percoler lentement les eaux au travers d’un milieu granulaire dans lequel on maintient un écoulement non saturé.  L’alimentation se fait selon un mode séquentiel qui permet alors d’alterner des périodes d’alimentation et des périodes de repos.  Ces bassins doivent donc être en nombre suffisant pour que leur fonctionnement alterné assure une épuration des effluents.

Système d’infiltration percolation

Historique

Plusieurs installations ont été mises en service dans le monde entier (depuis 1945)

Au Maroc, la première expérience de Ben Sergao à

Agadir, a donné de bons résultats et a ouvert la voie devant d’autres perspectives plus intéressantes (Station Mzar du grand Agadir).

Paramètres influençant les systèmes de traitement par le sol  Les paramètres climatiques,  La charge organique de l’effluent,  La charge hydraulique,  La nature du massif filtrant,  La granulométrie et la hauteur du sable,  Les cycles d’inondation- dessèchement .

Sont des obstacles qui doivent être maîtrisés dans le système du traitement des eaux usées par le sol.

Performances (1/4) Ce procédé de traitement compte parmi les plus performants et ceci non seulement sur le plan physico-chimique mais aussi sur le plan d’élimination des micro-organismes pathogènes. En effet :

Presque la totalité des MES est retenue,

Bonne qualité de l'eau traitée par rapport au lagunage ;

Abattement important en DCO qui peut atteindre 90 à 95%,

Performances (2/4)

• Elimination importante de l'azote par nitrification, • Dénitrification plus au moins importante, • Elimination de 10 à 20% des composés phosphorés (dépend du pH de la nature du milieu filtrant),

Performances (3/4) •

Abattement de 5 à 6 unités logarithmiques des coliformes fécaux,

•

Elimination totale des parasites,

•

Elimination possible de pathogènes (désinfection) pour de grande hauteur de massif filtrant (sable),

•

Rusticité du procédé : pas d'obligation de fourniture d'énergie si la topographie des lieux le permet,

Performances (4/4)

• Adapté aux petites collectivités,

• Emprise au sol limitée par rapport au lagunage, • Faibles contraintes et coûts d'exploitation : exploitation simple et de durée limitée, • Bonne intégration dans l'environnement : possibilité de couvrir le lit avec de la terre végétale.

Marais artificiels ou zones humides reconstituées • Les marais reconstruits sont connus depuis 1953 en Allemagne 1967  Hollande 1980 Amérique du nord et Europe 1990  Canada 2000  Maroc Les marais artificiels utilisés pour le traitement des eaux usées domestiques sont constitués d’un lit de sol ou d’un autre milieu, tel que du gravier ou du sable, qui est inondé ou maintenu en condition saturée (niveau d’eau près de la surface),

Le traitement des eaux usées s’effectue au moyen d’une combinaison de plusieurs processus : Mécanismes Physiques : • filtration au travers des milieux poreux et des systèmes racinaires • sédimentation des MES Mécanismes Chimiques : • précipitation de composés insolubles • adsorption sur le substrat • décomposition par des phénomènes de radiation UV, d’oxydation et de réduction

Mécanismes Biologiques : • développement bactérien permettant la dégradation de la matière organique • nitrification en zone aérobie • dénitrification en zone anaérobie

Le traitement des eaux usées par marais artificiels peut prendre différentes formes selon:   

le mode d’écoulement, les types de plantes, le milieu et autres,

La gamme de capacités des installations est très large, allant d’installations desservant des résidences isolées jusqu’à des installations de dizaines de milliers de mètres cubes par jour.

Représentation schématique des différents types de systèmes de traitement utilisant les hydrophytes

Rôle dans les processus de traitement Tissus aériens Atténuation de la lumière  réduction de la croissance du phytoplancton. Influence sur le microclimat  isolation durant l’hiver. Réduit la vitesse du vent  réduit le risque de remise en suspension. Apparence agréable du système. Stockage des nutriments.

Rôle dans les processus de traitement Tissus dans l’eau Filtration  filtre les gros débris Réduit la vitesse du courant  augmente le taux de sédimentation, réduit le risque de remise en suspension. Fourni un substrat pour la formation d’un biofilm. Excrétion de l’oxygène par photosynthèse augmentation de la dégradation aérobie. Absorption des nutriments.



Rôle dans les processus de traitement Racines et rhizomes dans le sédiment Stabilise la surface du sédiment  faible érosion. Limite le colmatage du substrat dans un système à écoulement vertical. Libération d’oxygène  augmente la dégradation et la nitrification. Absorption des nutriments. Libération de substances antibiotiques.

MECANISMES D’ELIMINATION DES POLLUANTS DANS LES MARAIS RECONSTRUITS Constituants des eaux usées MES

Sédimentation / filtration

DBO5

Dégradation bactérienne (aérobie et anaérobie)

Mécanismes d’élimination

Sédimentation

Azote

Ammonification

suivie

d’une

nitrification

/

dénitrification

bactérienne Absorption par les plantes Volatilisation de l’ammonium

Phosphore

Fixation au sol (réaction d’adsorption - précipitation avec l’aluminium, le fer, le calcium et les particules argileuse du sol)

Pathogène

Sédimentation / filtration Mort naturelle Rayonnement UV Excrétion de substances bactéricides à partir des racines des macrophytes

AVANTAGES Coût de conception et de fonctionnement faible Aucune consommation énergétique Aucune nécessité d’une qualification poussée pour l’entretien Possibilité de traiter des eaux usées brutes Gestion réduite au minimum des boues Bonne adaptation aux variations saisonnières Convient aux petites et moyennes collectivités Facilité d’installation sur le site de production des eaux usées Bonne intégration paysagère et une apparence esthétique Valorisation de la biomasse

INCONVENIENTS Exploitation régulière, Faucardage annuel de la partie aérienne des roseaux Désherbage manuel Risque de présence d’insectes ou de rongeurs Pertes d’eau par évapotranspiration

PROCEDES INTENSIFS D' EPURATION DES EAUX USEES

On distingue des systèmes à : – Cultures libres • Boues activées

– Cultures fixées • Disques biologiques ou Biodisques

Boues activées Le procédé dit "boues activées" est un mode d’épuration par cultures libres. consiste à mettre en contact les eaux usées avec un mélange riche en bactéries pour dégrader la matière organique

Le procédé de boues activées fonctionne selon 4 modes d’utilisation

Elimination de la pollution carbonée (matières organiques) Elimination de la pollution azotée (90%) Elimination biologique du Phosphore (50% à 60%) Stabilisation des boues

Domaine d’application

La technique des BA est appropriée pour des eaux usées domestiques d'agglomérations à partir d'environ 1000 Equivalent habitants, jusqu'aux plus grandes villes.

Eléments d’une station à BA bassin d'aération: dans lequel l'air est injecté de manière à obtenir une teneur en oxygène dissous suffisante pour l'activité biologique aérobie bassin de décantation secondaire : A partir duquel, l'eau clarifiée est rejetée et les boues décantées sont renvoyées vers le bassin d'aération, et l’excès subit la stabilisation

Eléments d’une station à BA

Composition et fonctionnement Le bassin d’aération un bassin alimenté en continu par l’eau à traiter Développement d’une culture bactérienne libre fixée sur les polluants organiques Brassage et aération par un système d’aération (maintien des bactéries en suspension et fourniture de l’oxygène).

Système d’aération

• Un aérateur de surface (brosse ou turbine) • Un système d’insufflation de l’air

Le décanteur secondaire L'eau résiduaire traverse le bassin de décantation secondaire où la boue se dépose.

Une partie de la boue déposée est réintroduite dans le bassin à boues activées. La boue excédentaire produite est pompée hors du bassin de décantation secondaire et amenée vers le traitement des boues.

Décantation secondaire :

Clarificateur

Eléments de Dimensionnement Temps de séjour dans le bassin d'aération : 20 à 50 heures. Temps de séjour dans le clarificateur : 5 à 20 heures Volume du bassin d'aération par équivalent habitant (eqh) : environ 0,2 m3 Volume du clarificateur par eqh : environ 0.05 à 0,1 m3 (50 à 100 L)

Eléments de Dimensionnement Production de boue par eqh et par jour : 30 à 60 g de matière sèche par jour soit 1 à 3 litres de boues non épaissies 5 à 10 % des boues sont extraites du circuit chaque jour, soit un "âge des boues" de 10 à 20 jours, à partir du bassin d'aération ou de décantation.

Un système de Boues Activées peut éliminer : 90% de DBO et MES  30% de l’azote 

STEP Marrakech

Avantages pour toute taille de collectivité (sauf les très petites) bonne élimination de l'ensemble des paramètres de pollution (MES, DCO, DBO5, N par nitrification et dénitrification) adapté pour la protection de milieux récepteurs sensibles

Inconvénients coût d'investissement assez important consommation énergétique importante nécessité de personnel qualifié et d'une surveillance régulière sensibilité aux surcharges hydrauliques décantation des boues pas toujours aisée à maîtriser. n’est utilisée que pour la matière biodégradable ne traite pas les eaux usées diluées

Techniques intensives à cultures fixées

Disques Biologiques ou Biodisques C’est un procédé de traitement biologique à culture fixée qui met en œuvre des surfaces solides colonisées par la biomasse sous la forme d’un film biologique : Biofilm Il est basé sur l’activité des micro-organismes principalement les bactéries pour l’élimination de la pollution soluble dans l’eau à traiter. Toutes les étapes de ce traitement peuvent s’opérer dans le biofilm : étapes aérobie et anaérobie.

Traitement préalable Les disques biologiques utilisés pour le traitement des eaux usées sont généralement précédés : •

d’un dégrillage :

•

d’un système de traitement primaire.

Principe de fonctionnement Le réacteur biologique est constitué de plusieurs disques minces en plastique montés sur un axe horizontal. Les micro-organismes responsables de la dégradation sont fixés naturellement sur les disques et forment un biofilm d’une épaisseur d’environ 1 à 4 mm. Environ 40 % de la surface des disques est immergée.

Le mouvement rotatif des disques autour de l’axe expose alternativement la biomasse à l’atmosphère et aux eaux usées permettant ainsi l’aération et le mélange des eaux usées.

Principe de fonctionnement

La biomasse est fixée sur des disques en rotation montés verticalement et immergés à 40% dans l’eau à traiter.

Décanteur secondaire La biomasse en excès doit être séparée de l’effluent au moyen d’un décanteur secondaire. Il est recommandé de limiter le décanteur secondaire d’une chaîne de traitement par disques biologiques à un taux de charge ne dépassant pas 20 à 36 m3/m2.j La profondeur normalement requise pour un décanteur secondaire est d’au moins 3,6 m. La concentration de l’effluent du bassin des biodisques (à l’entrée du décanteur secondaire) est beaucoup plus faible que celle des boues activées, soit de l’ordre de 200 mg/L.

Dimensionnement Un système de traitement secondaire typique comporte généralement 3 ou 4 stages. Épaisseur du biofilm de 1 à 4 mm Diamètre 2 à 4 m Vitesse de 1 à 2 t/min Espacement entre les disques 2 à 3 cm

Rendement Pour établir le pourcentage global d’enlèvement de la chaîne de traitement et la qualité attendue de l’effluent : •

Il faut tenir compte de la DBO5 enlevée préalablement dans le traitement primaire, que l’on peut considérer comme étant de l’ordre d’environ 30 %.

• Le rendement en MES permet d’atteindre une concentration à l’effluent de l’ordre de 15 à 30 mg/L.

Avantages

bonne décantabilité des boues ; faible consommation d'énergie par rapport aux boues activées; fonctionnement simple demandant peu d'entretien et de contrôle ; plus faible sensibilité aux variations de charge que la technique des boues activées ; généralement adaptés pour les petites collectivités .

Inconvénients La technique des disques biologiques nécessite une surface relativement importante par rapport aux boues activées Performances généralement plus faibles qu'une technique par boues activées

Entraîne parfois l'émanation d'odeur Les disques deviennent fragiles

Inconvénients