GENERALITES SUR LES EAUX RESIDUAIRES

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La station de traitement d’eaux huileuses de la société SYMBION POWER

La firme SYMBION POWER est en étroite collaboration avec la JIRAMA depuis quelques temps. Elle gère la production d’électricité de la ville Antananarivo et donc cette société qui utilise maintenant la centrale thermique qu’utilisait JIRAMA avant. Dans ces centres de production d’électricité, les eaux huileuses proviennent de [2] :
➢ Lavage des planchers, des équipements et des véhicules ;
➢ Fuites provenant du procédé et du lavage des équipements
➢ Déversements accidentels.
Les types d’huile que l’on peut trouver mélangées avec l’eau sont les suivants :
➢ Huile pour moteur à essence ou carburant diesel ;
➢ Huile pour engrenage industriel ou pour différentiel de véhicules ;
➢ Huile de circulation ou pour turbine ;
➢ Huile de lubrification pour machine ;
➢ Huile pour compresseur à base d’huile minérale ou de carburant diesel ; ;
➢ Huile isolante (minérale) pour transformateur ;
➢ Huile pour système hydraulique
➢ Huile pour système de servodirection ;
➢ Huile pour transmission manuelle ou automatique de véhicules.
Les eaux huileuses sont traitées par le séparateur (figure 2 et 3). Le rôle du séparateur est d’intercepter, dans les eaux usées, les huiles ou les hydrocarbures qui ne sont ni solubles dans l’eau, ni présents sous forme d’émulsion [2].
Le séparateur eau-huile est donc essentiellement une chambre de séparation dans laquelle on crée des conditions d’écoulement suffisamment calmes (répartition des vitesses d’écoulement) pour que les gouttelettes d’huile dispersées dans l’eau remontent à la surface grâce à l’écart entre les densités respectives de l’huile et de l’eau.
Cet équipement permet la séparation des gaz et quelques quantités d’huile. Mais par faute de maintenance et d’entretien, il ne fonctionne plus actuellement….

Cas général d’une centrale thermique

Lorsque l’on parle de production électrique, il est courant que les termes « thermique » et « fossile » soient rapprochés. Or, une centrale thermique est une centrale qui produit de l’électricité à partir d’une source de chaleur mais pas nécessairement à partir d’un combustible fossile [3].
Le fonctionnement d’une centrale thermique consiste à produire de la vapeur qui actionne une turbine couplée à un alternateur. On distingue 3 types de centrales thermiques selon l’origine de la source de chaleur :
➢ Les centrales exploitant de la chaleur issue de l’énergie nucléaire : la chaleur pro-vient actuellement de la fission de noyaux d’uranium 235 ou de plutonium 239 ;
➢ Les centrales exploitant de la chaleur « renouvelable » : la chaleur peut-être issue du sous-sol (centrales géothermiques) ou du rayonnement du Soleil que l’on concentre (centrales solaires thermodynamiques) ;
➢ Les centrales, dites « à flamme », exploitant de la chaleur issue de la combustion d’un composé carboné : le combustible, brûlé dans une chaudière, est souvent fossile (centrales à charbon, à gaz, au fioul). Les centrales à biomasse et celles brûlant des déchets (industriels, agricoles ou ménagers) font toutefois également partie de cette catégorie de centrales [3].
Les centrales fonctionnent avec un combustible (gaz, fioul, charbon …) Ces centrales sont composées d’une cheminée représentée sur l’image par un tube orange avec du feu en dessous. D’une turbine et d’un alternateur représenté par un tube rouge et un soleil jaune sur l’image et d’un recycleur représenté par une sorte de rectangle bleu sur l’image [3].
Le fonctionnement
Un combustible (1) (gaz, fioul, charbon …) brûle dans une chaudière (2). La chaleur provoquer par cette combustion va transformer l’eau de la chaudière en vapeur. Cette vapeur va faire tourner une turbine (3) qui va entraîner en même temps l’alternateur (4). Ce qui va créer l’électricité puis l’eau va être recyclée par un recycleur. Un condenseur (5) refroidit la vapeur d’eau. Et ce cycle va se répéter à chaque fois que les centrales fonctionnent. Ce processus de fonctionnement est représenté par la figure 4 :
Figure 4 : Fonctionnement d’une centrale thermique

GENERALITES SUR LES EAUX RESIDUAIRES

Introduction

Les normes nationales et internationales fixent des indicateurs de pollution biologique et physico-chimique de l’eau. Les eaux usées sont des milieux extrêmement complexes, aussi se réfère-t-on à quelques paramètres pour les caractériser. Généralement exprimés en mg/l : Il existe une grande variété de paramètres indicateurs de pollution de l’eau. Il faut noter que ces paramètres peuvent être physiques, chimiques ou biologiques.

Définition des eaux usées

Les eaux usées sont produites par des usages domestiques, industriels ou même agricoles, constituant donc un effluent pollué qui sont rejetées dans un émissaire d’égout. Elles regroupent les eaux usées domestiques (les eaux vannes et les eaux Ménagères), les eaux de ruissellement et les effluents industriels (eaux usées des usines) [5].

Origine des eaux usées

Suivant l’origine et la qualité des substances polluantes, on distingue cinq catégories d’eaux usées.

Les eaux usées domestiques

Les eaux usées domestiques comprennent les eaux ménagères (eaux de toilette, de lessive, de cuisine) et les eaux vannes (urines et matières fécales), dans le système dit « tout-à-l’égout. Elles contiennent des matières minérales qui sont les chlorures, phosphates, sulfates, etc… et des matières organiques constituées de composés ternaires, tels que les sucres et les graisses (formés de Carbone, Oxygène et Hydrogène, mais aussi d’Azote et, dans certains cas, d’autres corps tels que Soufre, Phosphore, fer, etc… [6].

Les eaux usées de ruissellement

Constituent les eaux de pluies, eaux de lavages et eaux de drainage. Ces eaux sont polluées par les matières qu’elles entraînent en provenance des trottoirs et des chaussées (huiles, mazoutes, graisse, sables…etc.). Les eaux de drainage peuvent provenir de la montée d’une nappe phréatique dans le sol. Elles sont généralement peu polluées [6].

Les eaux usées industrielles

Elles sont très différentes des eaux usées domestiques. Leurs types varient d’une industrie à l’autre. En plus de matières organiques, azotées ou phosphorées, elles peuvent également contenir des produits toxiques, des solvants, des métaux lourds, des micropolluants organiques, des hydrocarbures, …etc. Certaines d’entre elles doivent faire l’objet d’un prétraitement de la part des industriels avant d’être rejetées dans les réseaux de collecte. Elles ne sont mêlées aux eaux usées domestiques que lorsqu’elles ne présentent plus de danger pour les réseaux de collecte et ne perturbent pas le fonctionnement des usines de dépollution [7]. C’est ce type d’eau qui nous intéresse.

Les eaux usées urbaines

Les eaux usées urbaines comprennent les eaux usées domestiques et les eaux de ruissellement (eaux pluviales, eaux d’arrosage des voies publiques, eaux de lavage des caniveaux, des marchés et des cours).
Les eaux qui ruissellent sur les toitures, les cours, les jardins, les espaces verts, les voies publiques et les marchés entraînent toutes sorte de déchets minéraux et organiques : de la terre, des limons, des boues, des silts, des sables, des déchets végétaux (herbes, pailles, feuilles, graines, etc.) et toute sortes de micropolluants (hydrocarbures, pesticides venant des jardins, détergents utilisés pour le lavage des cours, des voies publiques, des automobiles, débris microscopique de caoutchouc venant de l’usure des pneumatiques des véhicules.

Les eaux usées agricoles

L’agriculture est une source de pollution des eaux non négligeable car elle apporte les engrais et les pesticides. Elle est la cause essentielle des pollutions diffuses. Les eaux agricoles issues de terre cultivées chargées d’engrais nitratés et phosphatés, sous une forme ionique ou en quantité telle qu’ils ne seraient pas finalement retenus par le sol et assimilés par les plantes, conduisent par ruissellement à un enrichissement en matières azotées ou phosphatées des nappes les plus superficielles et des eaux des cours d’eau ou des retenues [7].

Rejets liquides d’une centrale thermique

L’eau est essentielle à l’exploitation de la centrale et elle circule en circuit fermé. La centrale doit néanmoins être alimentée régulièrement en eau d’appoint, pour compenser l’évaporation et les fuites de vapeur et pour les opérations périodiques de purges et de rinçages des chaudières. Ce sont les rejets résultants de ces opérations qui pourraient altérer la qualité du milieu récepteur [8]. Selon TransAlta, ou TransAlta Enetgy Corporation, une grande société qui œuvre sur le domaine de l’électrification en Canada, l’estimation du volume des rejets liquides s’élève à 109 300 m3 par année, ce qui représente 6% du total de l’eau en circulation dans la centrale.
Ces rejets contiendraient des produits anticorrosifs et biocides ajoutés à l’eau pour assurer le bon fonctionnement du circuit de production de vapeur et en prolonger la vie utile. La commission note que certains de ces additifs chimiques se trouveraient dans l’effluent de la centrale, à des concentrations avoisinant leur CL50 pour des micro-organismes aquatiques [8].
Tout ce qui a trait aux autres contaminants doit être conforme aux exigences du Projet de règlement sur les rejets liquides. TransAlta estime notamment que le séparateur huile/eau doit être en amont du point de rejet dans le fossé de drainage du parc pourrait également servir de bassin de sédimentation pour les phosphates et les hydroxydes de fer présents dans l’effluent de la centrale [8].
Comme mesure supplémentaire, le promoteur prévoit de maintenir le pH de l’effluent à une valeur de 8,2. II propose aussi d’installer des espaces imperméables de confinement là où des huiles sont utilisées ou entreposées, pour empêcher leur dispersion en cas de déversement ou de bris d’équipement. Enfin, il faut prévoir aussi d’autres mesures de traitement.
Selon une étude effectuée en avril 1993, le fossé de drainage qui reçoit l’effluent de la centrale a un débit moyen de 0,5 m3 par seconde. Evalué en moyenne à 0,004 m3/s, le débit de l’effluent représenterait moins de 1% du débit du fossé, ce qui signifie que les contaminants qui pouvaient s’y trouver seraient dilués plus de cent fois. TransAlta conclut que ces rejets aqueux ne doivent pas avoir de répercussions sur le milieu récepteur.
Pour sa part, l’ONE aimerait attirer l’attention sur les points suivants :
➢ Il est probable que le séparateur huile/eau puisse servir d’une manière passive de lieu de précipitation des contaminants métalliques, sous l’effet d’un pH légèrement
alcalin. Toutefois, sa capacité pourrait se révéler insuffisante si les concentrations étaient plus élevées que prévu
➢ Le débit moyen de l’effluent s’élèverait à 0,004 m3/s, mais il ne serait pas constant.
En fait, les variations de débit pourraient être considérables, compte tenu du caractère périodique et intense des opérations de purge et de rinçage qui sont à l’origine de cet effluent [8].
Le tableau 1 suivant résume l’estimation de la caractérisation de l’effluent de la centrale. Les valeurs sont en mg/l à moins d’indication à ce sujet. Cas TansAlta Tableau 1: Caractérisation de I ’effluent de la centrale

Pollution

Définition

Une eau polluée est une eau qui a subi, du fait de l’activité humaine, directement ou indirectement ou sous l’action d’un effet biologique ou géologique, une modification de son état ou de sa composition qui a pour conséquence de la rendre impropre à l’utilisation à laquelle elle est destinée. Une eau usée est définie comme étant une eau qui a subi une modification de sa composition ou de son état du fait de son utilisation [9].
La pollution de l’eau est due essentiellement aux activités humaines ainsi qu’aux phénomènes naturels. Elle a des effets multiples qui touchent aussi bien la santé publique que les organismes aquatiques [10].
Les polluants sous forme particulaire provoquent entre autres une augmentation de la turbidité de l’eau et un envasement.

Classification

On peut classer les polluants selon plusieurs types.

Taille des polluants

La classification la plus immédiate de ces composés est de les répertorier en fonction de leur taille [11].

Capacité de dégradation

Une autre classification très importante est fondée sur la capacité des polluants à être dégradés. On distingue deux classes principales : Matières organiques et Matières inorganiques ou minérales [11].
On peut aussi classifier selon la nature des polluants :

Pollution minérale

La pollution minérale des eaux peut provoquer le dérèglement de la croissance végétale ou trouble physiologique chez les animaux. Les polluants minéraux sont constitués principalement par les métaux lourds et les éléments minéraux nutritifs.

Pollution microbiologique

Les eaux usées contiennent tous les microorganismes excrétés avec les matières fécales. Cette flore entérique normale est accompagnée d’organismes pathogènes. L’ensemble de ces organismes peut être classé en quatre grands groupes, par ordre croissant de taille : les virus, les bactéries, les protozoaires [12].

Pollution chimique

Créée généralement par les déversements des établissements industriels, elle est plus ou moins nocive, selon la nature des substances dissoutes dans l’eau (exemple : pollution par les phénols) et selon les concentrations de ces substances [12].

La pollution physique

C’est le résultat de la présence dans l’eau de particules ou de déchets capables de colmater le lit d’un cours d’eau (cas des eaux provenant par exemple des mines, d’usines de défibrage de bois, de tanneries).

Pollution par le phosphore

Le phosphore a pour origine les industries du traitement de surfaces des métaux, les laveries industrielles des fabrications d’engrais.
Comme l’azote, le phosphore est un élément nutritif, il est à l’origine du phénomène d’eutrophisation c’est-à-dire la prolifération excessive d’algues et de plancton dans les milieux aquatiques [12].

Pollution d’azote

Les activités industrielles, peuvent être à l’origine des rejets plus ou moins riche en azote (élément nutritif) issu des fabrications d’engrais, des cokeries, et des industries chimiques et agroalimentaires. L’azote existe sous deux formes : la forme réduite qui regroupe l’azote ammoniacal (NH3 ou NH4+) et l’azote organique (protéine, créatine, acide urique), et une forme oxydée formée par les ions nitrites (NO2-) et nitrates (NO3-).

Norme

Pour les ‘biens et services’, on entend par ‘norme’, toute spécification technique accessible au public établi avec la coopération et le consensus de toutes les parties intéressées, fondée sur les résultats de la science, de la technologie et de l’expérience, visant à l’avantage de la communauté dans son ensemble.
La définition d’une ‘norme environnementale’ en est quelque peu différente en ce sens qu’elle représente une limite fixée en fonction de la toxicité, de l’écotoxicité, etc. du polluant considéré au-dessus de laquelle des perturbations de toute ou partie des composantes du milieu ambiant et/ou de la santé humaine sont susceptibles de se produire.

Valeur limite

Elle est définie comme étant la valeur moyenne du paramètre considéré à ne pas dépasser sur une journée de travail et tendant à préserver la qualité du milieu récepteur considéré.
Le présent texte porte sur la classification des eaux de surface et sur les normes de rejet d’effluents aqueux dans le milieu naturel. Il est applicable à tous les établissements (publics ou privés) et à tous les secteurs d’activités économiques. Les eaux de surface (cours d’eau, lacs et tous plans d’eau) sont classées de la manière suivante :
• Classe A : bonne qualité, usages multiples possibles,
• Classe B : qualité moyenne, loisirs possibles, baignade pouvant être interdite.
• Classe C : qualité médiocre, baignade interdite,
• HC : hors classes, contamination excessive, aucun usage possible à part la navigation. La présence de germes pathogènes désigne directement une catégorie hors classes.
C’est le paramètre le plus mauvais qui déterminera la classe d’une eau donnée.
Le tableau 4 suivant évoque la valeur limite de l’eau de rejet à Madagascar selon le Ministère de l’Environnement.

Pouvoir dissociant de l’eau

L’eau dissout une importante quantité de corps ionique, comme les sels donnant des ions et certains nombres de substances chimiques. La capacité de dissociation de l’eau provient du caractère polaire des molécules d’eau qui en possède des charges positives et négatives. Ces charges attirent les charges de signes contraires des ions qui leur sont proches.

Paramètres organoleptiques

La couleur et l’odeur

Dans les eaux usées brutes, l’odeur est due à une fermentation des matières organiques. La couleur vraie après filtration est due, le plus souvent, à la présence de matières organiques dissoutes ou colloïdales. Il n’y a pas de relations entre la couleur et la concentration en matières organiques. Elle est mesurée par comparaison à une solution de référence (Platine – Cobalt).

Paramètres physico-chimiques

Pour traiter l’eau, il est besoin de la connaître et donc de pouvoir la caractériser le plus précisément possible. Dans le vocabulaire du traiteur d’eau, certains termes s’écartent sensiblement des termes scientifiques utilisés par ailleurs. Les paramètres répertoriés ci-dessous sont les plus courants.

La température

La température est un facteur écologique important des milieux aqueux. Son élévation peut perturber fortement la vie aquatique. Elle joue un rôle important dans la nitrification et la dénitrification biologique. La nitrification est optimale pour des températures variant 28 à 32 °C par contre, elle est fortement diminuée pour des températures de 12 °C à 15 °C et elle s’arrête pour des températures inférieures à 5 °C [14].

Le potentiel d’Hydrogène (pH)

Le pH mesure la concentration en ions H+ de l’eau. Il traduit ainsi la balance entre acide et base sur une échelle de 0 à 14; 7 étant le pH de neutralité. Ce paramètre caractérise un grand nombre d’équilibre physico-chimique et dépend de facteurs multiples, dont l’origine de l’eau.
Le pH exprime le potentiel en hydrogène, il joue un rôle important dans :
• Les propriétés physique-chimiques (l’acidité et l’alcalinité) ;
• L’efficacité de certains procédés (coagulation-floculation) ;
• Le processus biologique.
Le pH doit être impérativement mesuré sur le terrain à l’aide d’un pH-mètre ou par colorimétrie [14].

La conductivité électrique (CE)

La conductivité est la propriété que possède l’eau à favoriser le passage d’un courant électrique. C’est le paramètre qui indique la teneur en sel dissout (salinité de l’eau). La conductivité est l’inverse de la résistivité et s’exprime en micro Siemens par centimètre. La mesure de la conductivité permet d’évaluer la minéralisation globale de l’eau [9]. Sa mesure est importante car au-delà de la valeur limite de salinité correspondant à une conductivité à 2500µSm/cm, la prolifération de microorganismes peut être réduite d’où une baisse du rendement épuratoire [15].

Demande chimique en oxygène (DCO)

La DCO correspond à la consommation globale à chaud de l’oxygène du dichromate de potassium et est représentative de la majeure partie des composés organiques ainsi que des sels minéraux oxydables. On utilise parfois la DCOAD qui correspond à la demande chimique en oxygène de l’échantillon après une décantation de 2 heures. Généralement, la valeur de la DCO est :
• DCO = 1,5 à 2 fois DBO : eaux usées urbaines
• DCO = 1 à 10 fois DBO : ensemble des eaux résiduaires
• DCO > 2,5 fois DBO : eaux usées industrielles. [15]

Demande biochimique en oxygène (DBO)

C’est la quantité d’oxygène consommée à 20 °C et à l’obscurité pendant un temps donné pour assurer par voie biologique l’oxydation des matières organiques présentes dans l’eau. On utilise conventionnellement la DBO5, c’est-à-dire la quantité d’oxygène consommé après 5 jours d’incubation. La DB05 n’est représentative normalement que de la pollution organique carbonée biodégradable [16].

Biodégradabilité

La biodégradabilité traduit l’aptitude d’un effluent à être décomposé ou oxydé par les micro-organismes qui interviennent dans le processus d’épuration biologique des eaux.
La biodégradabilité est exprimée par un coefficient K, tel que K= DCO/DBO5
• Si K<1.5 : cela signifie que les matières oxydables sont constituées en grande partie de matières fortement biodégradables ;
• Si 1,5<K<2.5 : cela signifie que les matières oxydables sont moyennement biodégradables ;
• Si 2,5<k<3 : les matières oxydables sont peu biodégradables ;
• K >3 : les matières oxydables sont non biodégradables.
Un coefficient K très élevé traduit la présence dans l’eau d’élément inhibiteur de la croissance bactérienne. La valeur du coefficient K détermine le choix de la filière de traitement à adopter. Si l’effluent est biodégradable on applique un traitement biologique, sinon on applique un traitement physico-chimique.
Le rapport entre la DCO et la DBO5 peut donner une idée de la biodégradabilité de l’effluent. La DBO et la DCO sont deux moyens d’apprécier la teneur en matières organiques oxydables. La dégradation de celles-ci dans le milieu naturel s’accompagne d’une consommation d’oxygène et peut entraîner un abaissement excessif de la concentration d‘oxygène dissout [16].

Turbidité

En relation avec la mesure des matières en suspension, elle donne une première indication sur la teneur en matières colloïdales d’origine minérale ou organique. Elle est appréciée, soit par rapport à des solutions témoins, soit par la mesure de la limite de visibilité d’un objet défini (fil de platine, disque de Secchi). Elle est inversement proportionnelle à la transparence de l’eau et elle varie suivant les matières en suspension (MES) présentes dans l’eau.

Matières en suspension (MES)

Le paramètre englobe tous les éléments en suspension dans l’eau dont la taille permet leur rétention sur un filtre de porosité donnée. Elles représentent, la fraction constituée par l’ensemble des particules, organiques ou minérales, non dissoutes de la pollution. Elles constituent un paramètre important qui marque le degré de pollution d’un effluent urbain ou même industriel.

Table des matières

PARTIE A : CONTEXTE GENERALE DE L’ETUDE ET SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
INTRODUCTION
Chapitre I : PRESENTATION DE LA SOCIETE JIRAMA ET DU STATION DE TRAITEMENT DES EAUX USEES DE LA SYMBION POWER
I-1 Historique
I-2 Organigramme de la JIRAMA
I-3 La station de traitement d’eaux huileuses de la société SYMBION POWER
I-4 Cas général d’une centrale thermique
Chapitre II : GENERALITES SUR LES EAUX RESIDUAIRES
II-1 Introduction
II-2- Définition des eaux usées
II-3- Origine des eaux usées
II-4 Rejets liquides d’une centrale thermique
II-5 Pollution
II-6 Norme
II-7 Paramètres organoleptiques
II-8 Paramètres physico-chimiques
II-9 Paramètres bactériologiques
Chapitre III- TECHNIQUES DE TRAITEMENTS DES EAUX USEES
III-1 Introduction
III-2 Les composantes d’un traitement
PARTIE B : ETUDES EXPERIMENTALES
Chapitre IV- CONCEPTION ET REALISATION DES MATERIELS ET EQUIPEMENTS
IV-1 Traitements physiques
IV-3 Traitement chimique
Chapitre V-PROCEDE ET METHODOLOGIE DE TRAITEMENT
V-1 Méthodologie de prélèvement des eaux usées
V-2 Méthodologie pour le traitement physique
V- 3 Méthodologie chimique
V-4 Méthodologie pour le traitement biologique
Chapitre VI- INTERPRETATION DES RESULTAT ET DISCUSSION
VI-1 interprétation des résultats
PARTIE C : ANALYSE ENVIRONNEMENTALE ET EVALUATION FINANCIERE SOMMAIRE
VII- PERSPECTIVE POUR AVOIR UN BON TRAITEMENT
VII-1 Résultat d’analyse
VII-2 Traitement physique
VII-3 Traitement chimique
VII-4 Traitement biologique
Chapitre VIII- ANALYSE ENVIRONNEMENTALE
VIII-1 Toxicité des effluents industriels
VIII-2 Impact de la pollution
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES
ANNEXE
Annexe 1 : TECHNIQUES D’ANALYSES DES EAUX
IV.1 MES
IV.2 Turbidité
IV.3 pH mètre
IV.4 Détermination de la concentration eau-huile
IV.5 Mesure de la concentration des chlorures [Cl-]
IV.6 Détermination la concentration de sulfate [𝑺𝑶𝟒−𝟐]
IV.7 Détermination de la concentration de Fer [Fe2+ et/ou Fe3+]
IV.8 Détermination de la DBO
IV.9 Détermination de la DCO
IV.10 Conductivité électrique [24]
Annexe 2 : FICHE DE TECHNIQUES DES REACTIFS (INRS et VWR)
Annexe 3 : RESULTAT D’ANALYSE