Paramètres essentiels pour le choix d’une technologie de traitement des eaux usées

Généralités sur les eaux usées

Paramètres influençant le fonctionnement des bassins d’aération

Le processus aux boues activées peut être influencé par plusieurs facteurs. On se doit de créer des conditions optimales de fonctionnement afin d’obtenir un traitement des eaux usées le plus performant possible [59]. Les paramètres les plus importants et surtout critiques sont les suivants :

 Inhibitions liées aux paramètres caractéristiques des eaux brutes

Les caractéristiques des eaux usées entrantes à une station d’épuration à boues activées influencent le traitement au sein du bassin d’aération.
 Débit d’alimentation
Chaque station d’épuration des eaux usées est développée pour être capable de traiter une certaine quantité de matière organique. Cette quantité ou charge organique est généralement exprimée en kg DBO ou DCO par jour ou en Equivalent Habitant = 1 EH = 54 g DBO où un Equivalent habitant est l’unité de mesure permettant d’évaluer la capacité d’une station d’épuration. Cette unité de mesure se base sur la quantité de pollution émise par personne et par jour [59].
Il est primordial de respecter la charge maximale et de ne pas la dépasser. Cette charge maximale est la charge prise en compte lors du dimensionnement du réacteur. Il est aussi très important que cette charge soit homogène si l’on veut obtenir un effluent de qualité à tout instant. Les pics de charge doivent impérativement être évités. Lorsque cette charge organique nominale est dépassée, on parle de surcharge du système. Les appareils pour l’aération de l’eau usée ne pourront pas suivre et fournir la quantité d’oxygène nécessaire. Une telle situation a un impact très négatif sur le processus de traitement [59].
Détérioration de la qualité de l’effluent : teneur en O2 insuffisante pour oxyder/dégrader tous les composés organiques (DBO/DCO).
Conditions anaérobies à l’intérieur des boues activées : productionmicrobiologique d’acides gras et de H2S (= problème d’odeur).
La composition de l’eau usée est également très importante. En général, la culture bactérienne se forme en fonction de la composition de l’eau usée entrante. Les grands changements dans la composition ou quantité d’eau ne peuvent être traitées de manière optimale.
 pH
Les valeurs de pH extrêmes (supérieures à 9,5 et inférieures à 2,5) donnent lieu à une forte dégradation de la qualité de la boue. Il est évident que dans de telles conditions de pH, les boues activées subissent de fortes modifications du point de vue physico-chimique et biologique. Plus particulièrement, les plus fortes valeurs de pH donnent lieu à des hydrolyses des constituants organiques des flocs et des polymères extra cellulaires qui changent considérablement les propriétés des boues [59].
Ainsi, une augmentation du pH entraîne un accroissement de la charge négative des flocons et engendre des effets de répulsion plus intenses entre particules, contribuant fortement à créer une résistance à l’écoulement. D’autre part, aux plus forts pH, la matrice des flocons est plus étendue et par conséquent, les interactions entre flocons sont plus marquées et la viscosité augmente [59].
Température
La température de l’eau usée a une influence majeure sur le taux de biodégradation dans le bassin d’aération (conversion en CO2, H2O et composés minéraux). Plus la température est élevée, plus le processus de biodégradation est rapide (plus 10°C = vitesse de réaction x 2)[59].
Les systèmes aux boues activées opèrent normalement sous une température de 5 à 35 °C (température mésophilique). La température dans un tel système, détermine le taux et la vitesse des réactions de dégradation biochimique. Plus la température est importante, plus les réactions sont rapides :
 Dégradation du substrat;
 Accroissement de la biomasse;
 Nitrification/dénitrification.
En résumé : Une station d’épuration travaille plus efficacement à une haute température.
Les réactions de nitrification sont particulièrement influencées par la température. Le taux de nitrification diminue considérablement lorsque la température descend en dessous de 20°C et est pratiquement nul si une température de 10°C est atteinte. Les réactions de dénitrification dépendent un peu moins de la température [59].
Nutriments
L’azote et le phosphore sont des nutriments essentiels qui doivent être présent dans l’influent selon un rapport bien défini. Si la concentration de P et N est trop basse, cela va influencer négativement l’activité et la capacité de sédimentation des boues (structure en flocons).
Les micro-organismes ont aussi besoin de micronutriments outre Net P. En littérature, on parle de Ca, Mg, Mn, Fe, Cu, Cr et Co comme les micronutriments les plus importants.
Si les nutriments ne sont pas disponibles en quantité suffisante dans l’eau usée brute, ils doivent être ajoutés. Cela implique l’ajout de N et P en premier lieu, mais il est aussi possible que d’autres éléments soient dosés dans l’eau usée (en particulier pour le traitement de condensas).
Si un déficit de N et P dure trop longtemps (>4 jours), l’activité des boues peut se trouver réduite considérablement. De plus, la structure cellulaire des boues est fragilisée. Il y a donc de grandes chances que l’effluent soit moins clair en sortie du traitement.
 Composés toxiques
Dans certaines circonstances, l’efficacité d’un système aux boues activées peut soudainement diminuer, et dans le pire cas, être nulle. Des composés toxiques présents dans l’influent sont normalement à l’origine de ce phénomène. Une fois dans le bioréacteur, ces substances inhibitrices ont un effet négatif sur l’activité biologique.
Exemples d’inhibition : toxicité due aux métaux lourds, empoisonnement par des composés organiques particuliers (phénols, détergents cationiques, antibiotiques, etc.), présence d’oxydants forts, etc.
L’effet de toxicité sur un procédé de traitement des eaux usées peut être divisé en 3 catégories:
 Inhibition de l’activité : la population microbiologique travaille encore, mais à un moins bon rendement qu’à l’habitude.
 Arrêt total de l’activité microbienne : toutes les bactéries meurent, ou sont « capturées» dans un état végétatif statique, dans lequel elles sont métaboliquement inactives. Dans certains cas, l’activité biologique peut reprendre une fois les composés toxiques supprimés du bioréacteur.
 La troisième catégorie est une forme de toxicité plus spécifique. L’activité générale n’est pas affectée, seule la dégradation d’une certaine sorte de substrat est inhibée. Ce problème est souvent rencontré dans des systèmes où des composés xénobiotiques sont dégradés par co-métabolisme.
Afin d’évaluer l’impact d’une inhibition sur un procédé de boues activées, il est important de connaître les mécanismes à l’origine de la toxicité de certaines substances. Les composés cellulaires et processus suivant sont sensibles aux effets toxiques :
 L’enveloppe cellulaire d’une bactérie peut être complètement détruite par les métaux lourds, phénols, détergents, ammonium quaternaire ou certains alcools.
 Le changement de structure de certaines protéines/enzymes, avec comme résultat une perte de fonction cellulaire. Ceci peut être causé par des halogènes, phénols et autres alcools.
 Interférence avec l’activité intracellulaire des enzymes peuvent ralentir voire stopper le métabolisme. Les composés toxiques produisant cet effet sont : la cyanite, les oxydants forts (chlore, hypochlorite, etc.), phénols, métaux et métalloïdes.
 Interférence avec la production d’acides nucléiques (= ADN et ARN) peuvent inhiber la reproduction bactérienne (= division cellulaire). Les métaux lourds génèrent ces effets toxiques.

Problèmes biologiques

 Inhibition par les bactéries filamenteuses
Les bactéries filamenteuses, de même que les bactéries floconneuses, contribuent au procédé de traitement des eaux usées. Cependant, une croissance massive des microorganismes filamenteux conduit à la détérioration des propriétés de décantation et déshydratation de la boue. Un amas de filaments se crée et la migration des particules de boues jusqu’au fond du bassin est sérieusement contrariée. En d’autres termes, les filaments peuvent être à l’origine d’une mauvaise sédimentation des boues.
La taille de la population en micro-organismes filamenteux dans un système de boues activées peut varier grandement et est souvent reflétée par l’index en filament (= FI). Cet index part de 0 (= absence presque totale de filaments) et termine à 5 (très grand excès de filament). La différence de quantité de filaments entre 2 niveaux FI successifs correspond à peu près à un facteur 10. L’utilisation de l’index de filament induit une certaine expérience et interprétation de chercheur/opérateur.
Remarque : De grandes quantités de bactéries filamenteuses dans la boue activée ont aussi un effet négatif sur l’efficacité de l’aération.
 Inhibition par les mousses
Les mousses sont des végétaux acotylédones cellulaires, à tige simple ou composé, à racines ramifiées et composés d’une seule série de cellules allongées, à feuilles insérées horizontalement et disposés en spirales.
Les mousses forment des amas de flottants très stables de couleur marron clair à foncé et de structure visqueuse. Leur densité tend à s’accroître progressivement au cours du temps.
Ces mousses sont peu déstructurées par une agitation de surface et reforment rapidement un tapis uniforme en absence d’agitation. Les bulles de gaz favorisent la flottation. Ces flottants constituent un milieu favorable au développement privilégié de certaines bactéries filamenteuses responsables de moussage .
L’apparition d’une petite quantité de mousse dans une station d’épuration est plutôt normale, même quand le système fonctionne normalement. Cependant, si cette mousse est en abondance à la surface des bassins d’aération et de clarification ce n’est pas normal. Ce moussage extrême peut être expliqué par plusieurs phénomènes :
 Présence de fortes concentrations en détergents et matières grasses;
 pH trop haut ou trop bas;
 Manque d’oxygène;
 Manque de nutriments;
 Boue trop vieille.
Dans certains cas extrêmes, les mousses peuvent représenter jusqu’à 1/3 de la biomasse totale, avec des concentrations en matières sèches pouvant atteindre 100 g/l, voire des hauteurs dépassant un mètre. Les paramètres de fonctionnement (charge massique) et d’exploitation de la station sont alors fortement dégradés par cette situation (diminution du transfert d’oxygène).

Problèmes mécaniques

 Problèmes d’aération
L’apport d’oxygène est indispensable pour oxyder la matière organique et l’ammonium grâce à la biomasse présente. Un manque d’oxygène influence immédiatement l’efficacité d’abattement. L’oxygène doit être fourni sous forme dissoute, d’où le terme oxygène dissous (OD).
Une concentration OD minimale entre 1 et 2 mg O2/L doit être conservée dans le bassin d’aération.
L’approvisionnement en O2 peut être effectué à l’aide d’aérateurs de surface (amène l’eau en contact avec l’air environnant), d’une aération à fines bulles (injection de petites bulles d’air dans l’eau) ou d’un aérateur immergé. Il arrive parfois que l’oxygène pur soit utilisé pour l’aération de station d’épuration.
L’aération consiste en 2 procédés de base :
 Processus physique : l’oxygène est dans l’eau et ensuite transporté vers les flocons de boue (diffusion et turbulence);
 Processus biochimique : avant que l’oxygène puisse être utilisé par les cellules organiques, les molécules d’O2 doivent être diffusées à travers la membrane cellulaire.
Evidemment, le transfert d’oxygène dans un système biologique est influencé par de nombreux facteurs : composition de l’eau usée, température, type d’aération, caractéristiques des boues et configuration du réacteur.
Une déficience en oxygène dans une station d’épuration peut être causée par des facteurs biochimiques ainsi que physiques (dysfonctionnement du système d’aération).
Les principaux facteurs biochimiques induisant un déficit en OD et par conséquent un mauvais fonctionnement du réacteur biologique sont :
 Une surcharge organique : charge supérieure à la charge maximale définie;
 Un excès de matières grasses, huiles ou autres surfactants dans le bioréacteur;
 Une Concentration en boue trop importante : impact négatif sur le taux de transfert d’oxygène et augmentation de la respiration endogène;
 Amas volumineux de boue : boue filamenteuse (Nocardia);
 Les problèmes du système d’aération;
Un manque prolongé d’oxygène peut conduire à :
 la diminution de l’efficacité d’abattement;
 la formation d’une biomasse filamenteuse, donc moins bonne décantation ;
 la nuisance olfactive, due à la formation d’acides volatils et H2S dans des conditions anaérobies;
 l’arrêt total des réactions de nitrification (= oxydation de N-NH4) et donc plus de suppression d’azote.
Des concentrations d’oxygène trop élevées n‘influencent pas directement l’efficacité d’abattement, mais les concentrations de O.D > 5 mg O2/L doivent être évitées car :
Gaspillage d’énergie.
Plus petits flocons (= mauvaise décantation /effluent turbide). Peut être à l’origine de la formation de filaments.
 Dysfonctionnement lié aux agitateurs
Un dysfonctionnement des agitateurs (panne, puissance spécifique insuffisante) peut induire la formation de dépôts en fond d’ouvrage et créer des zones d’anaérobie favorables au développement de populations de bactéries filamenteuses (aération moindre, septicité).
Lors de sa mise en place à la construction, une mauvaise position de l’agitateur au sein du bassin (angle, positionnement/muret, hauteur d’immersion…) ou la présence d’un obstacle (guides latéraux des raquettes de diffuseurs surdimensionnés, canaux traversiers…) devant celui-ci pénalisera fortement son efficacité et peut créer des mouvements hydrauliques contraires à ceux recherchés (spiral-flow).
De plus, l’observation visuelle des remontées de bulles (en insufflation d’air) permet d’appréhender l’existence de spiral-flow entre l’agitateur et la première raquette de diffuseurs. L’observation d’un contre-courant de surface au devant de l’agitateur, aération et agitation en marche, ou la présence continue de mousse stable en certains points du bassin, laissent supposer un mauvais fonctionnement hydraulique.
De même, l’arrivée des bulles d’air dans la zone de balayage des pales témoigne d’une mauvaise implantation de l’appareil.

Décantation secondaire

Le clarificateur est un bassin circulaire, équipé d’un point racleur. La liqueur mixte, venant des bassins biologiques via la deuxième chambre de répartition est séparée en eau épurée et boues biologiques par décantation. Les boues décantées sont siphonnées par une pompe à vide, une partie sera acheminée vers la première chambre du répartiteur assurant la recirculation des boues contenant la culture bactérienne épuratrice. Afin de maintenir la concentration en biomasse nécessaire dans ce bassin, l’autre partie sera transmise au flotateur.

 Le traitement tertiaire

Certains rejets d’eaux traitées sont soumis à des réglementations spécifiques concernant l’élimination d’azote, de phosphore ou des germes pathogènes, qui nécessitent la mise en œuvre de traitements tertiaires [https://www.rapport-gratuit.com]. Il regroupe toutes les opérations physiques et chimiques qui complètent les traitements primaires et secondaires.

L’élimination de l’azote

Les stations d’épuration n’éliminent qu’environ 20 % de l’azote présent dans les eaux usées, par les traitements de nitrification – dénitrification. Pour satisfaire aux normes de rejet en zones sensibles, des procédés physiques et physico-chimiques complémentaires permettent l’élimination de l’azote par : électrodialyse, résines échangeuses d’ions, “strippage” de l’ammoniaque, mais ces traitement ne sont pas utilisés dans le traitement des eaux résiduaires urbaines, pour des raisons de rendement et de coût.
L’élimination de l’azote se fait généralement selon un processus biologique en deux étapes importantes.
 La nitrification : La nitrification est un processus se déroulant sous l’action de certains micro-organismes spécifiques et qui conduit à la transformation de l’ammoniac (ou de l’ammonium) en nitrate en 2 étapes : – Nitrosation : sous l’action de bactéries nitreuses aérobies (Nitrosomonas) . – Nitration : par les bactéries nitrifiantes aérobies (Nitrobacter). La nitrification est une des étapes du traitement d’une eau usée qui vise la transformation de l’ammonium (NH4) en nitrate (NO3). Cette transformation est réalisée par des bactéries, en milieu aérobie.
 La dénitrification : est un processus anaérobie par lequel les nitrates sont réduits en azote et en oxydes d’azote. Les micro-organismes utilisent les nitrates comme source d’oxydante à la place de l’oxygène et en présence d’une source d’un carbone organique qui doit être apportée dans le milieu.

L’élimination du phosphore

L’élimination du phosphore, ou “déphosphatation”, peut être réalisée par des voies physico-chimiques ou biologiques. En ce qui concerne les traitements physico-chimiques, l’adjonction de réactifs, comme des sels de fer ou d’aluminium, permet d’obtenir une précipitation de phosphates insolubles et leur élimination par décantation. Ces techniques, les plus utilisées actuellement, éliminent entre 80 % et 90 % du phosphore, mais engendrent une importante production de boues.

Elimination et traitement des odeurs 

Les eaux usées, chargées en matières organiques particulaires et dissoutes, peuvent induire directement ou indirectement, par l’intermédiaire de leurs sous-produits d’épuration (graisses, boues), la formation d’odeurs désagréables suivant un processus de fermentation.
Les odeurs provenant des STEP sont dues aux gaz, aérosols ou vapeurs émises par certains produits contenus dans les eaux usées ou dans les composés se formant au cours des différentes phases de traitement.
Les sources les plus importantes d’odeurs sont :
Les prétraitements
Les boues et leur traitement.
Pour éviter ces nuisances, les ouvrages sensibles seront couverts et munis d’un système de ventilation ainsi que d’une unité de traitement biologique des odeurs.
On distingue généralement deux types de traitement biologique des odeurs : les bio-filtres et les bio-laveurs. Dans les premiers, la biomasse est supportée par un plancher spécifique et l’air traverse le massif (souvent de la tourbe). Les seconds réalisent un deuxième filtre grâce à une suspension. La biomasse est libre, et l’épuration se produit dans un réacteur.

La désinfection

Un abaissement de la teneur des germes, parfois exigé pour les rejets dans des zones spécifiques (zones de baignade, zones de conchylicoles) ou dans le cadre d’une réutilisation, il sera réalisé par des traitements de désinfection chimique par:
 Le chlore : est un oxydant puissant qui réagit à la fois avec des molécules réduites et organiques, et avec le micro-organisme. Les composés utilisés dans le traitement des eaux usées sont: le chlore gazeux (Cl2),l’hypochlorite de sodium (NaClO) appelé communément” eau de Javel”,l’hypochlorite de calcium (Ca(ClO)2 , le chlore de chaux (CaCl,OCl) et le chlorite de sodium (NaClO2).
 L’ozone (O3) : est un oxydant puissant, la désinfection par l’O3 est utilisée aux États-Unis, en Afrique du Sud et au Moyen Orient essentiellement. Il permet l’élimination des bactéries, des virus et des protozoaires. C’est le seul procédé vraiment efficace contre les virus. Les tests de toxicité effectués sur des poissons, des crustacés et des algues n’ont pas permis de mettre en évidence une quelconque toxicité
Il existe aussi des traitements physiques tel que:
 Les rayons ultraviolets : qui consistent à utiliser des lampes à mercure disposées parallèlement ou perpendiculairement au flux d’eau. Leur rayonnement s’attaque directement aux microorganismes. Ce traitement est très simple à mettre en œuvre, car il n’y a ni stockage, ni manipulation de substances chimiques et les caractéristiques chimiques de l’effluent ne sont pas modifiées.
 La filtration : est un procédé physique qui permet de retenir les microorganismes par rétention à l’aide d’un filtre. Qu’elle soit réalisée sur sable ou sur membrane, cette technique exige une épuration secondaire préalable garantissant une élimination assez poussée des matières en suspension. L’élimination des virus, des bactéries et des protozoaires est fonction du milieu poreux, de la vitesse de percolation, de l’épaisseur du massif filtrant et du niveau d’oxydation de l’eau filtrée.

Le traitement des boues

Les boues constituant le résidu principal des stations d’épuration. Le traitement des boues représente 30% de l’investissement dans la construction d’une station d’épuration. Le traitement des boues a pour objectifs de :
 réduire la fraction organique afin de diminuer leur pouvoir fermentescible et les risques de contamination (stabilisation) ;
 diminuer leur volume total afin de réduire leur coût d’évacuation (déshydratation).

Conclusion

Dans ce chapitre on a présenté une petite généralité sur les eaux usées, quelle est l’origine des eaux usées et la composition de ces eaux, et on a cité les différentes étapes de traitement des eaux usées dans une station d’épuration et on a précisé aussi quelque types de traitement des eaux par exemple : boues activé, lit bactérienne, biodisque et lagunage naturelle.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les eaux usées
I.1. Introduction
I.2. Définition des eaux usées
I.3. Les principaux rejets polluants
I.3.1 Eaux usées domestiques
I.3.2 Eaux usées industrielles
I.3.3 Les eaux usées pluviales
I.3.4 Les eaux usées agricole
I.3.5 Les eaux de drainage
I.4 la pollution des eaux usées
I.4.1 Pollution minérale
I.4.2 la pollution microbiologiques
I.4.3 Pollution chimique
I.4.4 La pollution physique
I.4.5 Pollution par le phosphore
I.4.6 Pollution par l’azote
I.5 les paramètres de pollution
I.5.1. Paramètres organoleptiques
I.5.2. Les paramètres physiques
I.5.3. Paramètres chimiques
I.5.4. Les paramètres bactériologiques
I.6. L’équivalent habitant (EH)
I.7. Normes internationales
I.8. Normes Algériennes
I.9. Définition de l’épuration
I.10. Paramètres essentiels pour le choix d’une technologie de traitement des eaux Usées
I.11. Rôle des stations d épuration
I.12. procédés d’épuration des eaux usées.
I.12.1. Prétraitement
I.12.2. Le traitement primaire (décantation primaire)
I.12.3. Le traitement biologique
I.12.3.1. Procédés biologiques extensifs
I.12.3.1.1. Le lagunage (culture libre)
I.12.3.2. Procédés biologiques intensifs
I.12.3.2.1. Disques biologiques (cultures fixées)
I.12.3.2.2. Lits bactériens (cultures fixées)
I.12.3.2.3. les boues activées
I.12.3.2.3.1. Généralités sur les boues activées
I.12.3.2.3.2. Paramètres de fonctionnement des stations à boues activées
I.12.3.2.3.3. Paramètres influençant le fonctionnement des bassins d’aération
I.12.4. décantation secondaire
I.12.5. Le traitement tertiaire
I.12.6. Le traitement des boues
I.13. Conclusion
Chapitre II : Description de la station d’épuration de Maghnia
II.1. Introduction
II.2. Principe de fonctionnement de STEP de Maghnia
II.2.1. Donnée de base
II.2.2. L’origine d’eau brute
II.2.3. Les installations de la STEP
II.2.3.1. Description des ouvrages de traitement de la filière Eaux
II.2.3.1.1. Le déversoir d’orage
II.2.3.1.2. Prétraitement
II.2.3.1.3. traitement biologique
II.2.3.1.4. Décanteur Secondaire (02 unités)
II.2.3.1.5. Bassin de chloration.
II.2.3.2. Description des ouvrages de traitement de la filière boues
II.2.3.2.1. Epaississeur
II.2.3.2.2. Lits de séchage (14)
II.3. Rendement de la station
II.4. Conclusion
Chapitre III : Matériels et méthodes
III.1. Introduction
III.2. prélèvement et échantillonnage
III.3. Analyses physico-chimiques
III.3.1. Température
III.3.2. pH
III.3.1.1. Principe
III.3.1.2. Mode opératoire
III.3.3. Conductivité
III.3.3.1. Mesure de la conductivité
III.3.3.2. Principe
III.3.3.3. Mode opératoire
III.3.4. Oxygène dissous
III.3.4.1. Mode opératoire
III.3.5. Matière Insoluble Décantable (M.I.D)
III.3.6. Paramètre par Spectophotomètre DR3900
III.3.6.1. Les matière en suspension et la Turbidité
III.3.6.2. Demande chimique en oxygène (DCO)
III.3.6.1.1. Principe
III.3.6.1.2. Mode opératoire
III.3.6.3. Demande biochimique en oxygène (DBO5)
III.3.6.4 Nitrates (N-NO3)
III.3.6.5. Azote ammoniacal (N-NH3)
III.3.6.5.1. Mode opératoire
III.3.6.6. Nitrite (N-NO2)
III.3.6.6.1. Mode opératoire
III.3.6.7. Le phosphore
III.3.6.7.1. Mode opératoire
III.3.7 Teste de décantation
III.3.7.1. Mode opératoire
III.3.7.2. Interprétation des résultats
III.3.8 La siccité
III.4. conclusion
Chapitre IV : performance de la station d’épuration de maghnia
IV.1. Introduction
IV.2. performances de la station d’épuration de l’année 2013
IV.2.1. La température
IV.2.2. pH
IV.2.3. O2 dissous
IV.2.4. La conductivité
IV.2.5. La Turbidité
IV.2.6. Matières en suspension (MES)
IV.2.7. La demande chimique en oxygène (DCO)
IV.2.8. Demande biologique en oxygène (DBO5)
IV.2.9. Azote ammoniacal (NH4)

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