eaux usées (faune & Flore).

eaux usées (faune & Flore). 1 PRÉSENTATION eaux usées, eaux domestiques et industrielles véhiculant des déchets. La question de l'élimination des eaux usées a revêtu une importance croissante au début des années 1970, compte tenu de la préoccupation générale exprimée partout dans le monde face au problème de plus en plus important de la pollution de l'environnement humain, de l'atmosphère, des rivières, des lacs, des océans et des eaux souterraines par les déchets ménagers, urbains, agricoles et industriels (voir traitement des déchets). 2 HISTOIRE Les techniques d'élimination des déchets sont très anciennes ; on a trouvé des égouts d'évacuation des eaux sanitaires dans les ruines des cités préhistoriques de Crète et dans les cités antiques d'Assyrie. Des égouts construits par les Romains pour l'écoulement des eaux de pluie sont toujours en service aujourd'hui. Bien que la fonction première de ces canalisations fût le drainage, l'habitude qu'avaient les Romains de déverser les ordures dans la rue obligeait à rejeter d'importantes quantités de matières organiques avec les eaux de pluie. Vers la fin du Moyen Âge, les celliers privés souterrains et plus tard les fosses de décantation se sont développés en Europe. Lorsque ces conteneurs étaient pleins, les responsables de l'assainissement évacuaient les dépôts aux frais du propriétaire. Les déchets étaient utilisés comme fertilisants sur les champs avoisinants ou déversés dans les cours d'eau ou sur des terres inoccupées. Quelques siècles plus tard, on assiste à nouveau à la construction de déversoirs d'orage, le plus souvent sous la forme de conduites ouvertes ou de caniveaux dans les rues. Initialement, il était interdit de déposer quelque déchet que ce fût dans ces égouts, mais, vers le XIXe siècle, on s'est rendu compte que la santé publique pouvait être améliorée si l'on évacuait dans les déversoirs d'orage les ordures domestiques pour que celles-ci soient éliminées rapidement ; entre 1859 et 1865, un système de ce type a été mis au point par Joseph Bazalgette pour détourner les eaux pluviales et les déchets en aval de la Tamise à Londres. Le développement des systèmes municipaux d'approvisionnement en eau et de la plomberie domestique a permis l'apparition des toilettes à chasse d'eau et des systèmes modernes d'évacuation. En dépit des critiques émises, selon lesquelles les systèmes d'évacuation des eaux sanitaires gaspillaient les ressources, représentaient des risques pour la santé et étaient onéreux, de nombreuses villes s'en sont équipées. Au début du XXe siècle, quelques villes et industries ont commencé à reconnaître que le déversement direct des égouts dans les cours d'eau était néfaste ; cela a conduit à la construction d'installations de traitement des eaux usées. C'est à peu près à cette époque que la fosse septique a été introduite comme moyen de traitement des eaux domestiques rejetées par les ménages, tant dans les zones suburbaines que rurales. Dans les travaux publics de traitement des eaux usées, on a d'abord eu recours à la technique du filtre percolateur puis, entre les années 1920 et 1930, les procédés par boues activées, amélioration notable, se sont développés et ont commencé à être utilisés dans de nombreuses villes. Depuis les années 1970, un stade plus poussé du traitement chimique, par chloration essentiellement, s'est généralisé dans le monde industriel. 3 TRANSPORT DES EAUX USÉES Le transport des eaux usées consiste en leur acheminement depuis leur lieu d'origine jusqu'aux canalisations de l'installation de traitement, classifiées généralement selon le type d'eaux usées qu'elles transportent. Si le système achemine à la fois les eaux domestiques et celles provenant des précipitations, on parle de système unitaire ; c'est lui qui, en général, dessert les zones les plus anciennes des agglomérations. Lorsque les villes se sont étendues et qu'elles ont commencé à traiter les eaux usées, les eaux sanitaires ont été séparées des eaux de pluie grâce à un réseau distinct de canalisations. Cet aménagement est plus performant car il éloigne de l'installation de traitement la masse volumineuse des matériaux entraînés par les pluies. Il rend flexible le fonctionnement de l'installation et limite la pollution causée par le débordement du réseau unitaire qui se produit lorsque les égouts ne sont pas assez larges pour transporter à la fois les eaux domestiques et pluviales. Pour lutter contre le problème des débordements, une autre solution a été adoptée par certaines villes pour réduire les coûts engendrés : au lieu d'aménager un réseau différent pour les eaux domestiques, de vastes réservoirs, la plupart du temps souterrains, sont construits pour recevoir le trop-plein du réseau unitaire, qui sera réintroduit dans le système quand celui-ci ne sera plus surchargé. En général, les ménages sont raccordés aux collecteurs par des canalisations en argile, en fonte ou en polychlorure de vinyle (PVC) de 8 à 10 cm de diamètre. Des collecteurs de diamètre supérieur peuvent être situés le long de la ligne centrale d'une rue, à environ 1,8 m ou plus, sous terre. Les canalisations plus petites sont en général en argile, en béton ou en amiante-ciment et les canalisations larges principalement en béton armé avec ou sans revêtement. Contrairement au système d'approvisionnement en eau, les eaux usées circulent dans les canalisations par gravité plutôt que par pression. La conduite doit être inclinée pour permettre aux eaux usées de s'écouler à la vitesse minimum de 0,46 m par seconde ; en effet, à une vitesse moindre, les matières solides ont tendance à se déposer dans la canalisation. Les collecteurs d'eaux pluviales sont similaires à ceux des eaux sanitaires ; seul leur diamètre est plus large. Dans certains types d'égout, tels que les siphons renversés et les canalisations des stations de pompage, l'écoulement se fait sous pression ; on les appelle donc les collecteurs à pression. Les canalisations urbaines se déversent généralement dans des égouts intercepteurs qui peuvent alors se rejoindre pour former une ligne interurbaine, qui se déverse dans l'usine de traitement des eaux usées. Le diamètre des intercepteurs et des lignes interurbaines, construits le plus souvent en brique ou en béton armé, atteint parfois jusqu'à 6 m. 4 NATURE DES EAUX USÉES L'origine, la composition et la quantité des déchets sont fonction des modes de vie. Le produit obtenu lorsque les déchets pénètrent dans l'eau est appelé eaux d'égout ou eaux usées. 4.1 Origine et quantité Les eaux usées proviennent essentiellement des activités domestiques et industrielles ainsi que des eaux souterraines et des précipitations ; ces catégories d'eaux usées sont communément appelées respectivement eaux domestiques, déchets industriels, infiltrations et eaux pluviales. Les eaux domestiques proviennent des activités humaines de tous les jours : bains, excréments, préparation des aliments et loisirs. Elles correspondent à un volume de 150 litres par personne et par jour en moyenne en Europe de l'Ouest pour atteindre jusqu'à 950 litres dans certaines régions des États-Unis. Les quantités et caractéristiques des eaux usées industrielles sont très variées, dépendent du type de l'industrie, de la gestion de sa consommation d'eau et du niveau de traitement subi par les eaux usées avant leur rejet. Une aciérie, par exemple, peut rejeter de 6 000 à 150 000 litres par tonne d'acier produit. Si l'on procède à un recyclage, les quantités d'eau nécessaires seront moindres. Des infiltrations se produisent lorsque les conduites d'évacuation sont placées au-dessous du niveau hydrostatique, ou lorsque les eaux de pluies s'infiltrent jusqu'au fond du tuyau. Ces phénomènes ne sont pas souhaitables parce qu'ils exercent une charge supplémentaire sur le système de canalisations et l'usine de traitement. Le volume d'eaux usées d'origine pluviale à évacuer dépend de l'importance des précipitations ainsi que de l'écoulement ou débit du bassin de drainage. Une ville type rejette un volume d'eaux usées équivalent à environ 60 à 80 p. 100 de l'ensemble de ses besoins journaliers en eau, le reste étant utilisé pour le lavage des voitures et l'arrosage des jardins, ainsi que pour des procédés de fabrication, tels que la mise en conserves et en bouteilles d'aliments. 4.2 Composition La composition des eaux usées s'analyse par le biais de diverses mesures physiques, chimiques et biologiques. Les analyses les plus fréquentes comportent des mesures de déchets solides, de la demande biochimique en oxygène mesurée après 5 jours (DBO5), de la demande chimique en oxygène (DCO) et du pH. Les déchets solides comprennent les solides dissous et en suspension. Les solides dissous sont les matériaux qui passent à travers un papier filtre et les solides en suspension sont ceux qui ne passent pas (voir filtration). Les solides en suspension sont ensuite divisés en solides décantables et non décantables en fonction du nombre de milligrammes de solide qui se déposera en l'espace d'une heure pour un litre d'eaux usées. Toutes ces classes de solides peuvent être divisées en solides volatils ou en solides fixes, les premiers étant généralement constitués de matériaux organiques et les seconds de matériaux inorganiques ou minéraux. La concentration de matière organique s'obtient par les analyses de DBO5 et de DCO. La DBO5 représente la quantité d'oxygène nécessaire aux microorganismes pendant cinq jours pour décomposer la matière organique des eaux usées à une température de 20 °C. De même, la DCO est la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder la matière organique en utilisant du bichromate dans une solution acide et pour la transformer en dioxyde de carbone et en eau. La valeur de la DCO est toujours plus élevée que celle de la DBO5, car de nombreuses substances organiques peuvent être oxydées chimiquement mais ne peuvent s'oxyder biologiquement. D'ordinaire, la DBO5 est utilisée pour tester la force des eaux usées municipales traitées et non traitées et celle des eaux industrielles biodégradables. La DCO est utilisée pour tester la force des eaux usées qui ne sont pas biodégradables, ou qui renferment des composants qui freinent l'activité des microorganismes. L'analyse du pH permet de mesurer l'acidité d'un échantillon d'eaux usées (voir acides et bases). Les valeurs types concernant les solides et la DBO5 pour les eaux usées domestiques sont fournies dans le tableau cidessous. Dans des eaux usées domestiques types, la matière organique est constituée approximativement de 50 p. 100 de glucides, 40 p. 100 de protéines et 10 p. 100 de graisse ; le pH peut s'échelonner de 6,5 à 8,0. Il n'est pas aisé de caractériser la composition des déchets industriels par une gamme de valeurs types car leur constitution dépend du type de procédés de traitement utilisé. La concentration d'un déchet industriel est généralement obtenue après avoir déterminé le nombre de personnes -- ou équivalent-habitant (éq.-hab.) -- qui serait nécessaire pour produire une quantité équivalente de déchets. L'éq.-hab. s'exprime en général en termes de DBO5. La composition des infiltrations dépend de la nature des eaux souterraines qui s'infiltrent dans les canalisations. Les eaux de pluie renferment une proportion significative de bactéries, d'oligo-éléments, d'huile et de produits chimiques organiques. 5 TRAITEMENT DES EAUX USÉES Des procédés appelés traitement des eaux usées sont utilisés dans les installations municipales de traitement des eaux usées, généralement regroupés traitement primaire, secondaire ou tertiaire. 5.1 Traitement primaire Les eaux usées qui pénètrent dans une installation de traitement contiennent des débris susceptibles d'obstruer ou d'endommager les pompes et les mécanismes. Ces matériaux sont extraits par des cribles ou barreaux verticaux et les débris sont incinérés ou enfouis après un tri manuel ou mécanique. Les eaux usées traversent alors un broyeur dans lequel les feuilles et autres matériaux organiques sont réduits afin de garantir ensuite un traitement et une élimination performants. 5.1.1 Bassin de dessablement Par le passé, les bassins de dessablement étaient de longs et étroits réservoirs en forme de canaux utilisés pour évacuer les matériaux inorganiques ou minéraux, tels que le sable, la vase, le gravier et les cendres. Ces bassins étaient conçus pour permettre aux particules inorganiques de 0,2 mm ou plus de se déposer au fond pendant que les particules plus petites et la plupart des solides organiques restant en suspension passaient au travers. Aujourd'hui sont utilisés le plus fréquemment des bassins de dessablement aérés à mouvement rotatif à fond pyramidal ou des clarificateurs munis de bras racloirs. Le sable est extrait et mis en décharge. L'accumulation de sable peut atteindre entre 0,08 et 0,23 m3 pour 3,8 millions de litres d'eaux usées. 5.1.2 Sédimentation La sédimentation est l'étape qui fait suite à l'extraction du sable et au cours de laquelle les eaux usées sont acheminées vers une cuve de sédimentation dans laquelle la matière organique se dépose avant d'être extraite pour être éliminée. Le processus de sédimentation peut permettre d'extraire de 20 à 40 p. 100 environ de la DBO5 et de 40 à 60 p. 100 des solides en suspension. Dans certaines stations industrielles de traitement des déchets, le degré de sédimentation est accru en faisant appel à des procédés dits de coagulation et de floculation chimiques dans la cuve de sédimentation. La coagulation consiste à injecter aux eaux usées des produits chimiques, tels que du sulfate d'aluminium, du chlorure ferrique ou des polyélectolytes, les solides en suspension se lient alors les uns aux autres et sont précipités. La floculation provoque la combinaison des solides en suspension. Coagulation et floculation peuvent éliminer plus de 80 p. 100 des particules en suspension. 5.1.3 La flottation La flottation est une alternative à la sédimentation. Elle est utilisée dans le traitement de certaines eaux usées : de l'air est introduit dans les eaux usées à une pression pouvant aller de 1,75 à 3,5 kg par cm2. Les eaux usées, sursaturées d'air, sont alors déversées dans une cuve ouverte ; là, les bulles d'air entraînent les solides en suspension vers la surface, où ils sont extraits. La flottation peut permettre d'éliminer plus de 75 p. 100 des solides en suspension. 5.1.4 La digestion La digestion est un procédé microbiologique transformant la boue organique chimiquement complexe en méthane, dioxyde de carbone et en un matériau non toxique semblable à de l'humus. Les réactions se déroulent dans un réservoir clos ou digesteur dans des conditions anaérobies, c'est-à-dire en l'absence d'oxygène. La transformation s'effectue au cours d'une série de réactions. Tout d'abord la matière solide est rendue soluble par des enzymes, ensuite le produit est fermenté par un groupe de bactéries acidifiantes, procédé qui le réduit à des acides organiques simples, tels que l'acide acétique. Les acides organiques sont alors transformés par les bactéries en méthane et en dioxyde de carbone. La boue épaissie est chauffée et versée le plus régulièrement possible dans le digesteur où elle séjourne entre 10 et 30 jours pour y être décomposée. Par la digestion, on atteint une réduction de la matière organique de 45 à 60 p. 100. 5.1.5 Séchage Le séchage est un stade de traitement pendant lequel la boue digérée est placée sur des lits de sable pour un séchage à l'air libre. La percolation dans le sable et l'évaporation sont les étapes essentielles du processus de déshydratation. Pour être tout à fait performant, le séchage à l'air requiert un temps sec et relativement chaud ; certaines installations disposent de structures semblables à des serres permettant d'abriter les lits de sable. Le plus souvent, la boue séchée est utilisée comme améliorant pour les sols, parfois comme engrais en raison des 2 p. 100 d'azote et 1 p. 100 de phosphore qu'elle renferme. 5.2 Traitement secondaire Le traitement secondaire est une technique de réduction biologique de la matière organique restant dans le flux liquide après élimination de 40 à 60 p. 100 des solides en suspension et de 20 à 40 p. 100 de la DBO5 par les procédés physiques du traitement primaire. Les procédés microbiens habituellement utilisés sont aérobies, c'est-à-dire que les organismes agissent en présence d'oxygène dissous. Le traitement secondaire est en fait une technique qui exploite et accélère le processus naturel d'élimination des déchets. En présence d'oxygène, les bactéries aérobies transforment la matière organique en composés stables, tels que le dioxyde de carbone, l'eau, les nitrates et les phosphates. La production de nouveaux matériaux organiques est le résultat indirect du traitement biologique, et cette matière doit être éliminée avant que les eaux usées ne parviennent dans le milieu collecteur. Le traitement secondaire peut faire appel à plusieurs autres procédés, parmi lesquels le filtre percolateur, les boues activées et les étangs de stabilisation. 5.2.1 Filtre percolateur Le filtre percolateur est un procédé qui donne lieu à la répartition intermittente d'un flux de déchets sur un lit ou une colonne d'un certain type de milieu poreux. Un film gélatineux de microorganismes recouvre le milieu et se comporte comme un agent extracteur. La matière organique présente dans le flux de déchets est absorbée par le film microbien et transformée en dioxyde de carbone et en eau. Lorsque la technique du filtre percolateur est précédée d'une sédimentation, il est possible d'éliminer environ 85 p. 100 de la DBO5 pénétrant dans l'installation. 5.2.2 Boues activées Procédé aérobie au cours duquel les particules gélatineuses des boues sont en suspension dans une cuve d'aération et alimentées en oxygène. Les particules de boues activées, dites flocs, se composent de millions de bactéries se multipliant rapidement et liées entre elles par un dépôt visqueux. La matière organique est absorbée par le floc et transformée en produits aérobies. La réduction de la DBO5 est de l'ordre de 60 à 85 p. 100. Dispositif annexe important de toute installation ayant recours aux boues activées ou au filtre percolateur, le second clarificateur sépare les bactéries du flux liquide avant évacuation. 5.2.3 Bassin ou étang de stabilisation Autre forme de traitement biologique nécessitant de vastes superficies, par conséquent habituellement mis en oeuvre dans des zones rurales, les étangs facultatifs, ou ceux fonctionnant dans des conditions mixtes, sont les plus répandus. Ils ont une profondeur de 0,6 à 1,5 m et s'étendent sur plusieurs hectares. Dans la zone la plus profonde, là où se décomposent les solides, les conditions sont essentiellement anaérobies ; la zone proche de la surface est aérobie, ce qui permet l'oxydation de la matière organique dissoute et colloïdale. Une réduction de 75 à 85 p. 100 de la DBO5 peut être atteinte. 5.3 Traitement élaboré des eaux usées Niveau de traitement supérieur à celui apporté par le stade secondaire, le traitement élaboré des eaux usées peut être nécessaire si le milieu récepteur de l'eau exige un traitement plus poussé ou si l'effluent final est destiné à être réutilisé. Le terme de traitement tertiaire est souvent utilisé comme synonyme de traitement élaboré, mais les deux méthodes ne sont pas exactement identiques. Le traitement tertiaire, ou de troisième degré, est en principe utilisé pour éliminer le phosphore, alors que le traitement élaboré peut comprendre des étapes supplémentaires en vue d'améliorer la qualité de l'effluent en éliminant les polluants réfractaires. On dispose de techniques permettant d'éliminer plus de 99 p. 100 des solides en suspension et de la DBO5. Les solides dissous sont réduits par des procédés, tels que l'osmose inverse et l'électrodialyse. La dénitrification et la précipitation de phosphate peuvent éliminer les éléments nutritifs. Si les eaux usées doivent être réutilisées, on considère la désinfection par un traitement à l'ozone comme la méthode la plus fiable, mise à part celle de la chloration finale. Les applications de ces méthodes de traitement élaboré ainsi que d'autres sont appelées à se généraliser dans les années à venir, compte tenu des efforts entrepris pour préserver l'eau en la réutilisant. Voir absorption ; précipitation. 5.4 Élimination du liquide L'élimination du liquide est une phase ultime qui fait suite au traitement du flux et qui peut être réalisée de diverses manières. La méthode la plus fréquemment employée est le déversement direct dans un cours d'eau ou dans un lac récepteur. Dans les régions du monde qui doivent faire face à des pénuries d'eau de plus en plus graves, que ce soit pour l'usage domestique ou industriel, les autorités se tournent vers la réutilisation des eaux usées ayant subi un traitement approprié afin de préserver les eaux souterraines mais aussi pour l'irrigation des cultures non comestibles, les procédés industriels, les loisirs et d'autres usages. L'un de ces projets, l'Usine expérimentale de retraitement de l'eau à Denver, au Colorado (États-Unis), repose sur les étapes classiques de traitement primaire et secondaire suivies d'une clarification à la chaux pour éliminer les composés organiques en suspension. Au cours de ce procédé, un état alcalin (pH élevé) est créé pour en améliorer le déroulement. Au stade suivant, on fait appel à la recarbonatation pour obtenir un niveau de pH neutre. L'eau est ensuite filtrée par plusieurs couches de sable et de charbon et l'ammonium est éliminé par ionisation. Les pesticides et tout autre matériau organique dissous encore présents sont absorbés par un filtre granuleux au charbon actif. Les virus et bactéries sont alors tués par ozonisation. À ce stade, l'eau devrait être épurée de tout contaminant mais, pour plus de sécurité, on a recours à un deuxième niveau d'adsorption par charbon et à l'osmose inverse ; du dioxyde de chlore est ajouté pour obtenir la meilleure qualité d'eau possible. 5.5 Fosse septique La construction d'une fosse septique est un procédé généralement utilisé pour le traitement des eaux d'égout domestiques ; il s'agit d'une cuve en béton, en parpaing ou en métal dans laquelle les solides se déposent et les matériaux flottants remontent à la surface. Le liquide en partie épuré s'écoule d'un exutoire plein vers des tranchées comblées par des roches à travers lesquelles les eaux usées peuvent couler et s'infiltrer dans le sol où elles seront oxydées en aérobie. La matière qui surnage et les solides qui se sont déposés peuvent être conservés entre six mois et plusieurs années, pendant lesquels ils subissent une décomposition anaérobie.