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Les polluants sous contrôle

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Par publié le à 11h00

Les procédés de traitement des eaux résiduelles sont en pleine mutation. Il faut d'une part optimiser leurs performances en assurant un pilotage plus fin et réduire leur consommation énergétique pour contenir les coûts de traitement. D'autre part, il faut développer des procédés plus performants.

L'assainissement des eaux résiduelles, urbaines ou industrielles, est un impératif de santé publique et de protection environnementale. C'est pourquoi elles doivent être retraitées avant d'être relâchées dans le milieu naturel ou réutilisées dans le cadre d'un processus industriel. Fabricants de matériels et exploitants cherchent en permanence à améliorer les techniques utilisées.

 

1. PROCÉDÉS : Le traitement des eaux usées

 

Quelle que soit leur origine, le retraitement des eaux résiduelles fait appel à des procédés mécaniques, biologiques et chimiques. Il est réalisé en trois grandes étapes.

Le dégrillage et le tamisage permettent d'éliminer mécaniquement les plus gros morceaux de matières solides (bois, plastique, etc.).

La décantation permet d'une part d'effectuer par flottation un dégraissage en éliminant les huiles, graisses et autres liquides moins denses que l'eau qui se retrouvent en surface, d'autre part d'éliminer les sables et matières en suspension (MES). Pour améliorer et accélérer cette élimination, on peut procéder à une floculation/coagulation. On ajoute pour cela une substance chimique (FeSO4), afin que les MES s'agglomèrent et tombent par gravité au fond du bassin. Ce traitement concerne les colloïdes, suspension de particules d'un diamètre allant du nano au micromètre. Cela concerne par exemple la pectine, certaines protéines comme l'ovalbumine, l'amidon ou la cellulose ou les composés tensio-actifs (détergents) entre autres. Les boues recueillies sont ensuite traitées séparément.

La troisième étape comprend les traitements biologiques, physico/chimiques et bactériologiques. Le premier, effectué sur un lit de sable en présence ou non de charbon actif, permet de dégrader biologiquement les molécules organiques (sucres, graisses, protéines, etc.). C'est la nitrification/dénitrification ou l'oxydation de l'ammoniaque en nitrites, puis en nitrates qui sont transformés en diazote (N2) qui s'échappe dans l'air. L'eau est ensuite brassée pour être aérée et subit une décantation secondaire. C'est la clarification. Elle peut alors être relâchée dans le milieu naturel ou utilisée dans un process industriel. Mais elle peut aussi subir un traitement bactériologique final pour éliminer les germes pathogènes. Celui-ci fait appel aux rayonnements UV, aux filtres à charbon actif et à l'ajout de composés chlorés ou d'ozone. L'eau est alors potable (Fig.1).

L'ajout de chlore à l'eau permet de maintenir une qualité microbiologique dans les canalisations du réseau de distribution, en évitant la reviviscence des micro-organismes durant l'acheminement et la formation de biofilms. Le chlore est ici proposé comme agent rémanent car les composés chlorés sont les seuls à posséder cet effet (Fig.2). Cependant, il est de moins en moins utilisé car il présente un inconvénient majeur : il peut réagir avec certaines molécules organiques pour former des organochlorés non dégradables. Il est de plus en plus remplacé par l'ozone, un puissant oxydant permettant la dégradation efficace de substances chimiques présentes dans les mélanges gazeux et liquides. De plus, cette solution est simple et peu coûteuse.

L'utilisation de filtre à charbon actif, un matériau à la structure très poreuse, permet l'adsorption d'une large gamme de micropolluants. En jouant sur la porosité du charbon actif, on peut obtenir une filtration plus ou moins poussée (micro, ultra ou nano), afin d'éliminer les éventuelles molécules organiques ou micro-organismes persistants. Toutefois, les coûts liés à la mise en place de ce type de procédé et au remplacement périodique des filtres sont importants, ce qui explique son utilisation encore peu répandue.

Des études réalisées à l'échelle de pilotes semi-industriels ont montré que l'ozonation et le filtrage par charbon actif en grains donnaient de très bons résultats : plus des 2/3 des micropolluants organiques étudiés ont été éliminés avec un rendement supérieur à 70 %.

Le traitement des eaux résiduelles industrielles, c'est-à-dire des eaux usées qui résultent des process de production dans l'industrie (agroalimentaire, chimie, automobile, notamment) peut nécessiter des étapes supplémentaires pour éliminer des polluants spécifiques. Les eaux issues de l'industrie papetière sont chargées de matières organiques difficilement dégradables, celles issues des industries mécaniques sont chargées en huiles et en graisses, et celles provenant des traitements de surface, en métaux lourds. Dans la plupart des cas, l'épuration des polluants spécifiques se fait en circuit fermé dans l'installation qui utilise l'eau, avant qu'elle ne soit rejetée dans le circuit d'assainissement de l'usine (Fig.3).

 

 

2. OPTIMISATION : Améliorer les procédés existants

 

L'amélioration des procédés classiques de traitement des eaux résiduelles n'a pas remis en cause les grands principes et les grandes infrastructures. Ce sont surtout les équipements de contrôle et de pilotage qui ont fortement évolué, notamment l'instrumentation, qui est devenue numérique et qui est reliée au système informatique de pilotage des stations d'assainissement, afin d'optimiser les process de traitement en les pilotant avec plus de précision.

Il est aussi possible d'optimiser les procédés classiques de traitement des eaux, en augmentant, par exemple, la concentration des boues ou encore la durée d'aération dans les bassins. Des gains de 10 à 30 % ont ainsi été observés, en termes de rendement et de diminution des concentrations au rejet.

Une autre voie d'amélioration est la réduction de la consommation énergétique. Le plus gros poste, de 50 à 80 % suivant les installations, est lié à l'aération de l'eau dans les différents bassins.

Le point de départ évident pour économiser l'énergie est donc d'avoir en permanence la bonne teneur en oxygène dans le bassin d'activation. Elle est obtenue grâce au contrôle et à la régulation en continu de la teneur en oxygène dans les bassins d'activation.

Autre levier : remplacer les moteurs à rendement standard (IE1) des agitateurs mis en place avant 2011 par des moteurs IE2 ou IE3 à partir de 2015 ou 2017 suivant les puissances, aux rendements améliorés. Ceux-ci peuvent alors passer de 70 à 85 % pour des moteurs d'une puissance de 1 kW et de 93 à 97 % pour des moteurs de plus de 200 kW. Enfin, une autre possibilité est d'équiper les moteurs de variateurs de vitesse, afin d'adapter en permanence leurs performances aux besoins du process (Fig.4).

 

3. POLLUANTS ÉMERGENTS : Les limites des procédés classiques

 

Des solutions de rupture se font aussi jour pour améliorer les performances même des procédés de traitement des eaux résiduelles, notamment pour l'élimination des micropolluants.

En effet, les traitements actuels permettent de lutter contre les pollutions communes, mais apparaissent limités face à des polluants dits « émergents », souvent réfractaires. Ces molécules très peu biodégradables résistent à l'oxydation par l'ozone, l'oxydant le plus fort utilisé à ce jour. Ces produits non dégradés se retrouvent alors directement dans l'eau de consommation. Des micro-organismes pathogènes passent également au travers de certains traitements.

Les micropolluants sont une classe particulière de polluants, qui commencent à peine à être connus. Le plus souvent produits ou sous-produits de l'industrie chimique, ils peuvent également être formés au cours du traitement de l'eau lui-même. Ainsi, il a été démontré que l'utilisation de chlore dans les procédés d'oxydation pouvait conduire à la formation d'organochlorés non dégradables et stables à l'oxydation.

Par exemple, les phénols et chlorophénols utilisés pour la synthèse en pharmacologie et parfumerie s'avèrent être des molécules particulièrement réfractaires à l'ozonation et forment rapidement des sous-produits d'oxydation stables. Cette résistance à l'ozonation classique s'explique par la haute sélectivité de la réaction par l'ozone.

Malgré leurs faibles concentrations dans l'environnement, ces micropolluants ont, de par leur caractère réfractaire à la biodégradation, une tendance à s'accumuler dans l'organisme vivant de la faune et de la flore aquatique : on parle de bioaccumulation. Suivant la place de l'animal dans la chaîne alimentaire, la dose polluante peut être plus ou moins forte (Fig.5).

Une grande partie de ces micropolluants, notamment ceux issus de l'industrie pharmaceutique, a la capacité de perturber le système endocrinien de l'individu. Par exemple, depuis quelques années, les populations de poissons et d'amphibiens se féminisent à cause notamment de la présence d'hormones féminines dans les cours d'eau, provenant des pilules contraceptives.

En France, la problématique des micropolluants a fait l'objet de plusieurs projets de recherche nationaux. Le projet Ampères (2006-2009) s'est attaché à leur étude dans les eaux usées urbaines et les boues en période de temps sec. Le projet a conduit à l'évaluation des performances d'élimination des filières d'épuration conventionnelles pour les eaux et les boues, ainsi que de certaines filières avancées pour le traitement de l'eau. Au total, 21 stations d'épuration et 8 filières de traitement ont été étudiées. Ces travaux fournissent des pistes d'actions pour les acteurs et gestionnaires des stations de traitement, mais anticipent également les évolutions de la réglementation (intégration de nouveaux micropolluants dans la liste des substances prioritaires de la directive cadre européenne sur l'eau) et la nécessité d'intensifier la réduction, de préférence à la source, des rejets de micropolluants.

Ces recherches se poursuivent aujourd'hui avec le projet Echibioteb (ANR 2011-2014), coordonné par l'Institut de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (Irstea), qui se penche plus particulièrement sur la toxicité des rejets. Les équipes travaillent au développement de technologies innovantes d'échantillonnage et de mesures chimiques pour le suivi des procédés avancés de traitement des eaux usées urbaines et des boues.

 

4. INNOVATION : Les procédés d'oxydation avancée

 

Pour pallier les limites de l'ozonation, les procédés d'oxydation avancée (POA) se développent de plus en plus. Ils donnent de bons résultats là où les procédés classiques échouent. Leur développement part d'un constat : la sélectivité de l'ozonation ne permet pas l'élimination de certaines molécules. Il a donc fallu trouver un composé non-sélectif, dont le pouvoir oxydant est supérieur à celui de l'ozone (Fig.6).

Les recherches se sont orientées vers un élément issu de la décomposition de l'ozone, le radical hydroxyle HO -. Son pouvoir oxydant, qui s'élève à 2,80 V, est bien supérieur à celui de l'ozone, de 2,07 V seulement. Les nouveaux procédés reposent sur une production en quantité significative des radicaux HO -, que ce soit par voie chimique (type procédé fenton, ajout de fer en présence de peroxyde d'hydrogène), physico-chimique (dissociation par rayonnement de H2O2 par exemple) ou encore physique (par décharge de plasma à pression atmosphérique).

Ces procédés nécessitent en général moins de réactif et sont faciles à automatiser. Même s'ils sont actuellement en pleine expansion dans le domaine des technologies environnementales, leurs développements dans les filières de traitement des eaux restent encore limités, en raison des investissements et des coûts opératoires associés. Des solutions et des stratégies sont toutefois proposées, comme le couplage de ces procédés avec des traitements biologiques conventionnels, afin de pallier certaines contraintes spécifiques des POA et de faciliter ainsi leur insertion dans les filières existantes.

Au niveau des équipements fluidiques, même si l'instrumentation de contrôle et de mesure ne change pas trop, il y a une grande évolution de l'appareillage électrique, car il faut réaliser des décharges de plasma. On se rapproche alors des systèmes de dépôt de couche mince assisté par plasma. Les décharges filamentaires (PCD : décharge couronne pulsée et DBD : décharge à barrière diélectrique) semblent avoir une plus grande efficacité. Les géométries les plus efficaces sont celles intégrant un film d'eau dans leurs procédés. Cela permet en effet, en limitant l'épaisseur du film d'eau, de maximiser les espèces en contact entre la phase gaz réactive et la phase liquide à traiter.

 

5. BIOTECHNOLOGIES : Évolution des procédés biologiques

 

De nouveaux procédés de traitements biologiques voient aussi le jour. Ainsi, la PME Bio-UV propose un traitement par rayonnement ultraviolet avec une longueur d'onde de 254 nm. Ces UV-C sont idéaux pour éradiquer les micro-organismes (virus, bactéries, algues, levures, moisissures...), car ils pénètrent au coeur de l'ADN et perturbent le métabolisme des cellules jusqu'à leur destruction totale. Tous les germes sont ainsi inactivés (y compris Legionella et Cryptosporidium).

Les réacteurs des gammes Bio-UV sont dimensionnés en fonction du débit des pompes, car c'est la combinaison du temps de contact dans le réacteur et de la puissance des lampes qui permet de garantir une dose, exprimée en mJ/cm2, nécessaire et suffisante pour l'éradication à 99,9 % des micro-organismes (Fig.7).

Ce traitement s'effectue en continu dans le réacteur sans création de sous-produits de désinfection, qui peuvent polluer l'environnement ou limiter la réutilisation de l'eau (comme le chlore ou l'ozone). Le contrôle de l'efficacité de la désinfection se fait en continu. Il est facilement intégrable dans la gestion globale de la station d'épuration.

De son côté, Ennesys développe et commercialise des biosystèmes de traitement des eaux usées et déchets organiques par culture de micro-algues, qui ont la particularité d'épurer les eaux en se multipliant. Ce qui permet de produire simultanément une biomasse algale, facilement monétisable puisque transformable en énergie.

Dans ce procédé, les eaux usées et les déchets organiques sont d'abord récupérés. Puis, ils sont mixés en présence de CO2 pour constituer un milieu de culture stable et homogène qui alimentera les cultures de phytoplancton (micro-algues) dans des bassins, des photo-bioréacteurs ou des cuves de fermentation.

En fonction du ratio eaux usées/déchets organiques/CO2, la croissance des micro-algues se fait en autotrophie, en hétérotrophie ou en mixotrophie.

- En autotrophie, les micro-algues se développent par photosynthèse à la lumière du jour et agissent comme des agents nettoyants en absorbant le CO2 et en se nourrissant des polluants contenus dans les eaux usées.

- En hétérotrophie, les micro-algues sont placées dans des cuves de fermentation au contact d'un milieu de culture composé de déchets organiques. Elles agissent alors comme des bactéries, en dégradant ces déchets.

- En mixotrophie, il y a combinaison de ces deux modes de culture de manière potentiellement séquentielle, permettant à la fois une croissance avec et sans lumière. Ses avantages sont multiples au regard des techniques plus classiques. Son spectre d'épuration est plus large (CO2 et déchets organiques). Elle est aussi plus rapide et génère davantage de biomasse algale.

À l'issue de leur croissance, les micro-algues sont récoltées et séparées de l'eau pour obtenir une biomasse algale et une eau épurée. La biomasse algale, au pouvoir calorifique proche de celui du charbon, servira à alimenter localement les sites en énergie (électrique et thermique) grâce à différents procédés de transformation tels la méthanisation ou la combustion. L'eau épurée peut être réutilisée en circuit local (sanitaire, lavage, irrigation...) (Fig.8).

 

6. EAUX INDUSTRIELLES : Des traitements novateurs

 

Le traitement des eaux résiduelles issues des procédés industriels connaît lui aussi des évolutions notables. Ainsi Nuvia Structure, filiale de Vinci dans les métiers de spécialités du nucléaire, a développé une solution de traitement par voie chimique dédiée aux eaux résiduelles de chantier fortement basiques et ne pouvant être rejetées dans le milieu naturel. Elle consiste à injecter du gaz carbonique dans les eaux de récupération, entraînant une précipitation des ions calcium sous la forme de calcaire qu'il suffit ensuite de récupérer après filtration et après contrôle du pH des eaux.

De son côté, Pyrénées services industrie (PSI), PME spécialisée depuis 1988 dans la gestion de déchets et le nettoyage industriel, a mis au point un procédé d'électrocoagulation, où les effluents passent sur une anode en aluminium formant ainsi des hydroxydes d'aluminium aux propriétés coagulantes. Les boues ainsi produites (hydroxydes et polluants) sont recueillies pour être évacuées vers des sites de traitement appropriés. Les eaux traitées lors du process, environ 95 % d'eau pour 5 % de boues) sont évacuées en station d'épuration. La capacité annuelle de traitement de l'unité est de 32 000 m3.

Mais la PME a aussi investi 800 000 euros en R&D, en partenariat avec un laboratoire palois du CNRS et le soutien d'Oséo pour développer un procédé de traitement des eaux à partir d'un brevet que l'entreprise a acheté. Le procédé, fait valoir l'entreprise, utilise des pastilles qui présentent les avantages du chlore sans ses inconvénients. Parmi les nombreux débouchés figurent piscines publiques et effluents industriels.

La technologie a déjà son autorisation de mise sur le marché pour le traitement des eaux industrielles et des contacts sont en cours avec l'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (Anses) pour les autres usages. La commercialisation du produit est attendue pour fin 2015.

CE QU'IL FAUT RETENIR

- Le retraitement des eaux résiduelles, urbaines et industrielles, est un impératif environnemental et de santé publique. - L'optimisation des procédés existants, d'un point de vue performances et consommation énergétique est indispensable. - De nouveaux procédés sont en train de voir le jour pour faire face à l'arrivée de nouveaux polluants.

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