Filières conventionnelles de traitement des eaux résiduaires urbaines

Le traitement primaire 

Les procédés existants

La filière primaire a pour objectif l’élimination des MES et de la pollution colloïdale. Cette étape est la plus classique dans les STEP. On distingue les procédés de décantation classique et physico-chimique. Le système de décantation en lui-même peut être lamellaire ou conventionnel. a) Décantation classique Le phénomène de décantation est directement régit par la vitesse de Hazen ou vitesse ascensionnelle, puisque toute particule ayant une vitesse de sédimentation supérieure à celle-ci sera retenue par l’ouvrage (Gaïd 2008). Elle se définit par le débit traversant l’ouvrage divisé par la surface du décanteur. Il suffit alors de se placer dans une configuration où la vitesse de Hazen est assez faible pour permettre aux particules de décanter, et donc sélectionner une surface assez grande pour cela. Dans cette configuration, la surface réelle du décanteur est la même que la surface disponible pour la décantation. Il existe différents types de décanteurs classiques dont le sens d’écoulement et la disposition adoptée pour l’évacuation des boues Dégrillage Dessablage Déshuilage Décantation Floculation Coagulation Boues activées Biofiltration BRM Traitement des boues Oxydation Charbon actif Filtration Milieu naturel Eaux usées : domestiques et industrielles Prétraitement Primaire Secondaire Tertiaire Eaux de pluie et de ruissellement Chapitre I : Filières conventionnelles de traitement des eaux résiduaires urbaines 31 diffèrent. On distingue alors le décanteur horizontal avec raclage des boues, du décanteur cylindro-conique et du décanteur circulaire à raclage de boues. b) Décantation physico-chimique Alors que les MES décantent naturellement, les colloïdes sont relativement stables et il est nécessaire de les déstabiliser pour modifier leur état physique, par ajout d’un coagulant comme le chlorure ferrique (FeCl3) ou le chlorure d’aluminium (AlCl3), dans un réacteur agité à brassage rapide. L’ajout d’un flocculant (polymère) permettra ensuite d’agglomérer l’ensemble en flocs décantables. L’ajout de ces réactifs augmente fortement la qualité du traitement (Gaïd 2008). Le coagulant réagit également avec les ions phosphates (PO4 3- ) présents dans l’eau, pour former des précipités (FePO4 ou AlPO4), et élimine ainsi une partie de la pollution phosphatée (Canler et Perret 2007). c) Décantation lamellaire La décantation lamellaire s’appuie sur l’ajout de lamelles au cœur du décanteur afin d’augmenter la surface projetée au sol artificiellement et améliorer la décantation sans pour autant augmenter la taille de ce dernier. Ces lamelles doivent permettre d’apporter une surface projetée au sol maximale tout en permettant aux particules qui les percutent de glisser vers le sol sous l’effet de la pesanteur, d’où leur inclinaison (Canler et Perret 1994). Généralement l’angle d’inclinaison par rapport à l’horizontale est de 45 à 60° et l’espacement entre les plaques de 10 à 20 cm (Boeglin 2002). Le principal avantage de la décantation lamellaire réside dans sa compacité par rapport à un décanteur classique, ce qui est très intéressant notamment en zones fortement urbanisées comme l’agglomération parisienne. Différents procédés clés en main de décantation physico-chimique lamellaire existent, mais les plus répandus en STEP sont les procédés Actiflo® d’OTV et Densadeg® de Degrémont (Figure I-2). Leur principe général est le même : un réacteur de coagulation, suivi d’un réacteur de flocculation, puis d’un bassin de décantation lamellaire. Figure I-2 : Schéma du procédé de décantation physico-chimique lamellaire Densadeg® (Gaïd 2008) La différence entre les deux procédés réside principalement dans l’ajout de micro-sable en plus du polymère au sein du procédé OTV, censé augmenter la surface d’échange et donc améliorer la flocculation. Le micro sable permet de lester les flocs. Cela permet l’application d’une vitesse de passage plus élevée. Une autre différence notable est la présence d’une Devenir des micropolluants prioritaires et émergents dans les filières de traitement des eaux usées et des boues résiduaires 32 chambre de pré décantation, ou épaississement, dans le procédé Degrémont. Dans ces deux procédés, les boues décantées sont réinjectées afin de favoriser la formation de particules plus grosses qui décantent plus rapidement. Cette recirculation permet d’améliorer la capture des MES fines et procure une meilleure flocculation (Canler et Perret 2007).

Processus d’abattement au sein des traitements primaires

Le processus principal d’abattement des micropolluants dans un procédé primaire est la rétention des particules sur lesquelles il y a sorption. En effet, la décantation des MES permet de retenir une part importante des polluants hydrophobes et adsorbables (Byrns 2001, Gasperi et al. 2010). Les principales voies de sorption sur les particules proviennent des relations d’hydrophobicité ou d’interactions électrostatiques avec les particules (adsorption) (Carballa et al. 2005). Dans le cas d’une décantation physico-chimique, l’ajout d’un coagulant permet de déstabiliser certaines molécules dissoutes dans l’eau. L’ajout d’un polymère organique (flocculant), dans un bassin à agitation lente, provoquera par la suite l’agglomération des colloïdes déstabilisés autour de celui-ci, les rendant facilement décantables. Les mécanismes d’agrégation des particules et colloïdes provoqués par la coagulation-flocculation sont multiples et représentent une combinaison de la neutralisation de charges, l’adsorption, le piégeage et la complexation en matières insolubles avec les ions du coagulant (Duan et Gregory 2003). Etant donné les interactions existant entre les colloïdes et les micropolluants (Alexander et al. 2012), une élimination partielle de certains composés peut être attendue par la coagulatioflocculation, mais ce phénomène reste mal connu. Enfin, on peut considérer qu’une volatilisation résiduelle peut potentiellement avoir lieu dans ces procédés en cas de bassins ouverts, permettant aux molécules volatiles de passer en partie dans le compartiment atmosphérique, mais ce processus ne semble pas être significatif dans l’élimination globale des polluants. La volatilisation des micropolluants volatils a d’ailleurs été identifiée comme un processus d’élimination ayant lieu au sein des STEP (Mozo et al. 2012, Pomiès et al. 2013), mais plutôt au cours des traitements biologiques à aération. En conclusion, la rétention des particules sur lesquelles les polluants sont sorbés semble être le mécanisme principal d’élimination des micropolluants dans un ouvrage de traitement primaire. Il peut potentiellement être favorisé par la coagulation/flocculation.