Eaux Usées (Cours)

ENVIRONNEMENT Partie n°1: Traitement des eaux potables et industrielles (6hCours) Généralités Le traitement des eaux de consommation Quelques traitements classiques pour les eaux à usage industriel

Partie n° 2: Eaux résiduaires (6h Cours) La pollution Les traitements d’eaux usées urbaines Les traitements d’eaux usées industrielles

12 H Cours + TD : 5 séances (NLS et MHM) + TP : 5 séances + un partiel oral

CH I. LA POLLUTION 1. 2. 3. 4.

Introduction Classification Conséquences Principaux critères de qualité

4 3

CH I. LA POLLUTION 1.

Introduction Pourquoi s’intéresser à la pollution Définition

2. 3. 4.

Classification Conséquences Principaux critères de qualité

Ch I. La pollution Introduction Pourquoi s’intéresser à la pollution La planète bleue

H2O = 72 % superficie

97%

75%

Pourquoi traiter? Eau = ressource inépuisable?

Ch I. La pollution Introduction

Objectifs

Objectif: réduire la pollution Économiser l'eau •Réduire la consommation et limiter les pertes •Recycler

Protéger les écosystèmes aquatiques •Gérer durablement les milieux aquatiques

•Diminuer les sources de pollution •Protéger de la pollution : assainir •Surveiller l’état de santé des écosystèmes aquatiques •Protéger les nappes : vers la création de parcs naturels hydrogéologiques ?

Quels moyens d’action ? •Éduquer •Faire payer

Ch I. La pollution Introduction Définition

LA POLLUTION Un milieu aquatique est dit pollué lorsque son équilibre a été modifié de façon durable par l’apport en quantités trop importantes de substances plus ou moins toxiques. Ces pollutions peuvent entraîner divers types de nuisances : -augmenter la mortalité de certaines espèces animales ou végétales -détériorer la qualité de l’eau au point de la rendre impropre à certains usages

Ch I. La pollution Introduction Définition

LA POLLUTION Définition: altération du milieu conduisant à sa dégradation Cause: Introduction de substances non assimilables par le milieu non assimilables = non dégradables biologiquement non assimilables = en trop forte quantité

Lien: Activité humaine

CH I. LA POLLUTION 1. Introduction 2. Classification Selon l’origine Selon la nature selon les effets

3. Conséquences 4. Principaux critères de qualité

Ch I. La pollution Classification

CLASSIFICATION DES POLLUANTS 1- Selon l ’origine

( cf sources de pollution )

Caractéristiques = f (origine)

Indication sur le traitement

2- Selon la nature Biodégradable ou pas

Indication sur le traitement

3- Selon les effets Toxicité à seuil ou pas

conséquences

Ch I. La pollution Classification Evolution des types de pollution au cours du temps origine industrielle Prod énergie

Lien avec activités humaines agriculture

industrielle

domestique

Chronologie des principales sources de pollution des eaux continentales dans les pays industrialisés, d'après C. Lévêque, Écosystèmes aquatiques (Hachette, 1996)

Ch I. La pollution Classification Principaux types de pollution des eaux continentales, nature de produits polluants et leurs origines, d'après C. Lévêque, Écosystèmes aquatiques (Hachette, 1996).. TYPES DE POLLUTION

NATURE

SOURCES

> Physique

pollution thermique

rejets d'eau chaude

centrales thermiques

pollution radioactive

radio-isotopes

installations nucléaires

> Matière organique

glucides, lipides, protides

effluents domestiques, agricoles, agro-alimentaires

ammoniac, nitrates

élevages et piscicultures

fertilisants

nitrates, phosphates

agriculture, lessives

métaux et métalloïdes

mercure, cadmium, plomb, aluminium, arsenic...

industries, agriculture, pluies acides, combustion

pesticides

insecticides, herbicides, fongicides

agriculture, industries

organochlorés

PCB, solvants

industries

composées organiques de synthèse

nombreuses molécules

industries

détersifs

agents tensio-actifs

effluents domestiques

hydrocarbures

pétrole et dérivés

industrie pétrolière, transports

> M icrobiologique

bactéries, virus, champignons

> Chimique

effluents urbains et d'élevage

Ch I. La pollution Classification Lien entre origine et type de pollution: synthèse

Origine Domestique

Type Urbaine bactériologique, organique

Production d’énergie

Agricole

thermique, rejets nucléaires, hydrocarbures Intensive nitrates, phosphates, phytosanitaires

Industrie

Hydrocarbures, toxiques, acides, organochlorés….

Ch I. La pollution Classification Selon la nature

Classement selon la nature MES: visibles, faciles à séparer Matières dissoutes: invisibles, séparation? Microorganismes vivants: invisibles, séparation? Chaleur: mesurable, élimination? Radioactivité: mesurable, élimination? Etapes

MES (Matières En Suspension) sables, sédiments, particules orga

Séparation physique (procédés connus) Eau + matières dissoutes, µorganismes

Transformation de la matière dissoute en matière solide Eau + µorganismes

CH I. LA POLLUTION 1. 2.

Introduction Classification

3.

Principaux critères de qualité paramètres globaux critères physicochimiques azote et phosphore

4.

Conséquences

Ch I. La pollution Critères

Objectif des critères • Critères différents pour eau potable et eau usée Critères fonctions de l’usage

Critères quantitatifs: débits et variations de débit Critères qualitatifs: physicochimiques microbiologiques Objectifs:

évaluation de l’effet de la pollution détermination des infractions à la réglementation choix du traitement


LES CRITERES GLOBAUX Pourquoi des critères globaux? Eau usée = mélange très complexe

Mélange: MES Matières en solution, organiques ou minérales, Liquides non miscibles


Critères globaux

INTERET DES CRITERES GLOBAUX Information synthétique, donnant accès à: l’impact sur l’environnement choix des méthodes de traitement


Critères globaux

Quantification de :

Impact: Matière organique, pdts oxydables Consommation d’O2 Traitement: Matière organique non biodégradable biodégradable Traitement Traitement physicochimique biologique


Critères globaux

Définition d’un équivalent de pollution Pour tenir compte de l’impact sur la consommation d’oxygène

Unité de mesure commune à tous les constituants de la pollution organique

mg O2 . l-1

Avec précision de la technique analytique: DCO, DBO5 ….


Critères globaux

Composition d’une eau polluée et critères MO

*MO * Biodég

*

M E S

H2O + Composés Minéraux dissous

MO: DTO, DCO MO biodégradable: DBO: une partie de la MO totale! * : µorganismes, critères d’activité biologique MES: déjà définies, mesurées par centrifugation ou filtration


Critères globaux

La DTO (mg O2/l) Demande Totale en Oxygène. Définition: quantité d’oxygène consommée par les MO lors de l’oxydation catalytique en présence d’O2 et à 900°C. Détermination: appareils spécifiques Remarque: prise en compte de l’azote ammoniacal


Critères globaux

La DCO (mg O2/l) Demande Chimique en Oxygène. Définition: quantité d’oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement les substances réductrices présentes dans l’eau Principe: simulation des réactions d’oxydation existant dans le milieu naturel. Remarque: prise en compte de la matière organique oxydable


Critères globaux

La DCO (mg O2/l) Demande Chimique en Oxygène. Détermination: Méthode au bichromate de potassium (voir TP) MO + Cr2O72- + H3O+ Cr3+ + CO2 + H20 * * Réaction non équilibrée


Critères globaux

La DCO (mg O2/l) Demande Chimique en Oxygène. Détermination: Méthode au bichromate de potassium (voir TP) MO + Cr2O72- + H3O+ Cr3+ + CO2 + H20 * * Réaction non équilibrée Milieu acide


Critères globaux

La DCO (mg O2/l) Demande Chimique en Oxygène. Rappel sur les réaction d’oxydo-réduction: Oxydation de la matière organique MO + O2

CO2 + H2O

Réduction du bichromate de K (en milieu acide) 14 H+ + Cr2O72- + 6 eH2O

2 Cr3+ + 7 H2O

0,5 O2 + 2 H+ + 2 e-

8 H+ + Cr2O72-

2 Cr3+ + 4 H2O + 1,5 O2


Critères globaux

La DCO (mg O2/l) Demande Chimique en Oxygène. Dosage: - Bichromate introduit en excès réduit - Cr2O72- : couleur orange Cr 3+: couleur verte - Mesure colorimétrique - présence de sulfate d’argent = catalyseur - présence de sulfate de mercure = complexe les chlorures


Critères globaux

La DBO5 (mg O2/l) Demande Biochimique en Oxygène. Définition: quantité d’oxygène consommée dans les conditions de l’essai par des µorganismes aérobies au cours de la dégradation de la MO présente dans l’échantillon


Critères globaux

La DBO5 (mg O2/l) Demande Biochimique en Oxygène. Conditions de l’essai : incubation durant 5 jours T° = 20°C Obscurité

µorganismes aérobies: (contraire = anaérobie) Etres vivants microscopiques bactéries, levures, virus se développant en présence d’oxygène


Critères globaux

La DBO5 (mg O2/l) Demande Biochimique en Oxygène. Principe: Reconstitution des phénomènes de dégradation de la MO dans le milieu: MO + µorganismes + O2

CO2 +H2O + Biomasse + Energie

N, P, K …

MO = substrat Biomasse = ensemble des organismes vivants, se présentant sous forme de boues


Critères globaux

Mise en oeuvre de l’analyse de DBO Dilution de l’échantillon avec de l’eau pure aérée

DBO

DBO Mesure de l’oxygène Àt=0

DBO

Obscurité T° = 20°C Pendant 5 jours

Différence

Mesure de l’oxygène Àt=5j

DBO


Critères globaux

La DBO5 (mg O2/l) Demande Biochimique en Oxygène. Consommation d’O2 en fonction du temps DBO (mg O 2 /l)

DBO totale

Oxydation de l’azote organique en nitrate DBO5

Oxydation de MO en CO2 5

20

30

Temps (jours)


Critères globaux

Oxydation de l’azote organique en nitrate: rappel des mécanismes

ammonification

N organique (eau brute)

NH4+ Ammoniac

NO2nitrites

nitrification

NO3nitrates


Critères globaux

La DBO5 (mg O2/l) Demande Biochimique en Oxygène. Consommation d’O2 en fonction du temps: effluents industriels DBO (mg O 2 /l)

Cas 3: DBO5 = DBO totale Cas 2: DBO5
DBO5 cas 1

5

Temps (jours)


Critères globaux

La DBO5 (mg O2/l) Demande Biochimique en Oxygène. Consommation d’O2 en fonction du temps: effluents industriels DBO (mg O 2 /l)

DBO totale au bout de 6,5 jours!!! A 5 jours, on sous-estime la demande en oxygène DBO total cas 2 DBO5 cas 2

5

6,5

Temps (jours)


Critères globaux

La DBO5 remarques Oxydation de certains éléments chimiques en présence de l’O2, sans intervention des µorganismes

Majoration de la DBO Libération d’O2 par certaines espèces végétales Prévoir une incubation à l’obscurité Présence de composés organique non biodégradables (détergents, pesticides) Non comptabilisés dans la DBO


Critères globaux

Evaluation de la pollution à éliminer Introduction de la charge polluante: Débit à traiter x concentration en pollution l/j

mg/l

- En matière organique, exprimée en mgO2/j Lien avec la DCO: Q x DCO - En matière organique biodégradable, exprimée en mgO2/j Lien avec la DBO: Q x DBO Evaluation de la capacité de traitement de la station Introduction de l’équivalent habitant: Correspond à une charge organique biodégradable de 60 gO2/j Exemple: Une pollution équivalente à 5000 eq hab, correspond à charge de MO biodeg = 5000 x 60 = 300 000 g/j


Paramètres physicochimiques La température: Le pH: La minéralisation: La turbidité (MES): La couleur: L’O2: Le CO2: Le potentiel redox:

Trejet < 30°C 5,5 < pHrejet < 8,5 C < 1000 mS/cm irrigation MES dans un rejetmoyen< 35 mg/l ??? pas de norme ??? pas de norme


Les composés azotés Origine: élément indispensable aux êtres vivants, présent naturellement dans le milieu

Ses différentes formes : Azote organique Azote minéral (NH3/NH4+, NO2-, NO3-) Vocabulaire, rappels: Ammoniac = NH3 Nitrites = NO2Nitrates = NO3-


Les composés azotés:Conséquences Ammoniac demande supplémentaire en O2 eutrophisation (production de nitrates) production de dérivés toxiques avec chlore

?

Nitrites asphyxie du nourrisson

Nitrates eutrophisation intoxication du nourrisson après transformation en nitrites accu. dans légumes (risque de formation de pdts cancérigènes)

Azote organique transformation en NH4+


Les phosphates Origine: naturelle (décomposition de la matière vivante) artificielle (engrais, détergents, industrie chimique)

Conséquences: accélération de l’eutrophisation

Normes: rejets urbains: 80 % d’élimination ou 2mg/l rejets industriels : 10 mg/l Ptotal distribution: < 5 mg/l P2O5


Critères globaux

Normes de rejet paramètres

Effluents urbains moyenne/24h (mg/l)

Effluents industriels

η minimal (%)

MES

35

90

35 à 100

DCO

125

75

125 à 300

DBO5

25

N global P total

T°C

30 à 100

10 à 15

70

30

*

1à2

80

10

*

moyenne/mois (mg/l) pH

70 à 80

η minimal (%)

moyenne/24h (mg/l)

entre 6 et 8,5 < 25

η minimal (%) moyenne/mois (mg/l)

η minimal (%)

entre 5,5 et 8,5 < 30 * plus sévère en zone sensible

CH II. LES TRAITEMENTS 1. 2. 3. 4.

Introduction Provenance et Traitabilité Traitement des effluents urbains Traitement des effluents industriels

CH II. LES TRAITEMENTS 1. 2. 3. 4.

Introduction Provenance et Traitabilité Traitement des effluents urbains Traitement des effluents industriels

Ch II. Les traitements Introduction

Traitement de l ’eau

Traitements des eaux Notion: distinction du traitement en fonction du but


Etat de l’assainissement en France Deux types de traitement: – Collectif

Station d’épuration

– Individuel

Sur place


Etat de l’assainissement

Assainissement collectif (chiffres 2005) Taux de collecte en France = 51% 80 % en Allemagne, Suède

Rendement d’une station classique = 70 %

Taux d’élimination global = 35%


Etat de l’assainissement

Assainissement individuel

11 millions de personnes

Moins de 50 % conforme à la réglementation

CH II. LES TRAITEMENTS 1. Introduction 2. Provenance et Traitabilité Traitabilité Distinction entre deux types d’eaux usées Précisions sur le traitement biologique

3. Traitement des effluents urbains 4. Traitement des effluents industriels

Ch II. Les traitements Provenance et traitabilité

Rôle de la station Rappel: Un milieu aquatique est dit pollué lorsque son équilibre a été modifié de façon durable par l’apport en quantités trop importantes de substances plus ou moins toxiques.

Elimination d’une partie des substances contenues dans l’eau, afin de restituer au milieu un effluent compatible avec sa qualité, pour ne créer aucune nuisance vis à vis de la faune et la flore.


Rôle de la station

Substances à éliminer:

* pollution non soluble (MES, graisses) * pollution organique soluble consommatrice d’O2 * produits toxiques


Rappel

Rôle de la station

Les paramètres de potabilité Eau potable = produit alimentaire le plus surveillé.

normes de qualité de l'eau potable très rigoureuses : 63 paramètres divisés en 7 groupes 1. Paramètres organoleptiques (couleur, saveur et transparence de l'eau) 2. Paramètres physico-chimiques (caractéristiques naturelles de l'eau : température, conductivité, pH...) 3. Paramètres concernant les substances indésirables (teneur maîtrisée en fluor, nitrates...) 4. Paramètres concernant les substances toxiques reconnues (doses infimes en plomb, chrome...) 5. Paramètres microbiologiques (absence de bactéries et de virus pathogènes) 6. Pesticides et produits apparentés (doses infimes) 7. Paramètres concernant les eaux adoucies ou déminéralisées (teneur minimale en calcium, magnésium, carbonate ou bicarbonate)


Rappel

Rôle de la station

Les paramètres de potabilité Eau potable = produit alimentaire le plus surveillé.

normes de qualité de l'eau potable très rigoureuses : 63 paramètres divisés en 7 groupes 1. Paramètres organoleptiques (couleur, saveur et transparence de l'eau) 2. Paramètres physico-chimiques (caractéristiques naturelles de l'eau : température, conductivité, pH...) 3. Paramètres concernant les substances indésirables (teneur maîtrisée en fluor, nitrates...) Eaux usées 4. Paramètres concernant les substances toxiques reconnues (doses infimes en plomb, chrome...) 5. Paramètres microbiologiques MES (absence de bactéries et de virus pathogènes) Pollution organique 6. Pesticides et produits apparentés Produits toxiques (doses infimes) 7. Paramètres concernant les eaux adoucies ou déminéralisées (teneur minimale en calcium, magnésium, carbonate ou bicarbonate)


Substances à éliminer (rappel): * pollution non soluble (MES, graisses) * pollution organique soluble consommatrice d’O2 * produits toxiques

Critères de choix pour le traitement: caractéristique de la pollution organique soluble

Ch II. Les traitements Provenance et traitabilité Critères de choix

Choix du type de traitement Si pollution organique soluble Favorable au développement des µorganismes Epuration biologique Moins chère Moins de maintenance

Ch II. Les traitements Provenance et traitabilité Critères de choix

Traitement biologique: 4 Critères de traitabilité biologique: 1/ 6,5 < pH < 8,5 2/ DBO5/DCO > 0,3 3/ Respect de l’équilibre nutritionnel: DBO5/N < 20 DBO5/P < 100 4/ Absence de produit toxique


2 types d’eau, 2 types de traitement Distinction entre deux types d’eaux usées: A partir des critères précédents et de la provenance - Eaux usées urbaines - Eaux usées industrielles

Ch II. Les traitements Provenance et traitabilité 2 types d’eau usée

2 Traitements Eaux usées urbaines: Traitement biologique (filière classique) Sauf en zone froide et zone de population variable

Eaux usées industrielles: Constituants minéraux (acides, bases, toxiques) Rarement traitables uniquement par un procédé biologique Traitement physicochimique Traitement combiné (pas de cas d’école)

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Procédé bio.

LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE Mode classique d’élimination de la pollution organique carbonée et azotée Traitement reposant sur des condition qui permettent le développement des microorganismes Pour assurer la dégradation des MO biodégradables MO biodégradable = aliment (substrat) des microorganismes

Traitement aérobie plus fréquent que traitement anaérobie Traitement aérobie mis en œuvre dans un réacteur qui doit assurer: La mise en contact des µorganismes et de la MO L’apport d’oxygène (sous forme d’air le plus souvent)

Mise en œuvre:

Procédés à culture libre (boues activées, lagunage) masse bactérienne en suspension dans un bassin aéré Procédés à culture fixée (lits bactériens, biofiltres) biomasse fixée sur ou par un support solide


Le procédé par boues activées Principe: intensification des processus d’autoépuration des cours d’eau bassin de boues activées + décanteur 1/ Développement du floc bactérien transformation de la MO soluble en matière solide insoluble (boue)

O2

2/ Séparation de la biomasse (boue) et de l’eau épurée

Effluent riche en biomasse* Effluent épuré

Bassin de boues activées Recyclage boues activées**

Décanteur secondaire Traitement des boues


Qu’est-ce qu’une boue activée ?

Boue activée = ensemble de flocs Floc constitué de bactéries agglomérées Conditions d'une eau usée: bactéries sont sous-alimentées

sécrétion des polymères

Adhésion des bactéries les unes aux autres Rétention et adsorbtion des substances nutritives de l'eau usée (: la MO)


Composition d’une boue activée

Bactéries à raison de 6,6 milliards/mL de boue activée. - bacilles Gram : Pseudomonas, Aeromonas, Arthrobacter, Flavobacter, Achromobater, Alcaligenes.

Protozoaires à raison de 50 000/mL de boue activée. - zooflagellés(Bodo…), les holotriches (Litonotus…), les hypotriches (Aspidisca…), les péritriches (vorticelles…).


Le procédé par boues activées Principe: intensification des processus d’autoépuration des cours d’eau bassin de boues activées + décanteur 1/ Développement du floc bactérien transformation de la MO soluble en matière solide insoluble (boue)

2/ Séparation de la biomasse (boue) et de l’eau épurée

O2 Effluent épuré Décanteur secondaire


La décantation Avant

Séparation classique: décantation de flocs But: obtenir un liquide clarifié

Après


Eaux usées

LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE CO2 Soluble

minéralisation

Traitement biologique croissance de la biomasse

Particulaire . accumulation de matières particulaires

Traitement des boues

MO soluble transformée en: - CO2 - biomasse (flocs bactériens) - composés particulaire (cellulose et assimilés)


LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE Processus d’épuration aérobie = 3 étapes - Adsorption et absorption des Matières organiques solubles et colloïdales par les cellules - Oxydation biochimique et dégradation enzymatique des matières fixées (catabolisme + anabolisme) -Autodestruction de la matière cellulaire (respiration endogène) Espèces touchées: MO biodégradable, pollution azotée L'anabolisme: ensemble des réactions biochimiques entraînant la formation de nouveaux constituants à partir d'éléments simples provenant de la digestion des aliments. Le catabolisme : Ensemble des réactions biochimiques amenant la transformation de la matière vivante en déchets. réaction de dégradation ayant lieu dans un organisme vivant; dégradation de composés organiques complexes en molécules plus simples, qui libère de l'énergie.

Remarque: on utilise un mécanisme qui a lieu naturellement dans l’environnement. Les µorganismes sont naturellement présents! On les utilise, on ne les élimine pas!


LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE

Equation globale: MO + µorganismes + O2

CO2 +H2O + Biomasse + Energie

nutriments

Résulte de trois réactions simultanées: 1 catalyse enzymatique(catabolisme) 2 synthèse (anabolisme) 3 oxydation de la biomasse (respiration endogène)


Mécanismes de dégradation de la MO

* MO

*

*

*

Synthèse

2 3 Respiration endogène

* 77%** * * * * * 23% * ** *

*

*

* *

Produits finaux: CO2, H2O, Energie

* µorganismes

*

Catalyse enzymatique 1

*

*

Biomasse Matières minérales de dégradation (cellulose)

*

*


Mécanismes de dégradation de la MO * MO

*

* *


* cellules

*

*

*

Synthèse


* 77%** * * * * * * * 23% * *

*

*

*

MO: CxHyOzNp et p=0 parfois ( acide glutamiqueC5H9O4N, Glucose C6H12O6)


*

*

µorganismes: C H NO 5 7 2

*

1/ catalyse enzymatique (catabolisme) nutriments MO + µorga.+ O2 CO2 + H2O + µorga. + Energie Enzymes produits par les µorga.

2/ synthèse (anabolisme) MO + µorganismes + O2 + Energie

catalyseurs

nutriments

Nouveaux µorganismes+

3/ respiration endogène µorga + O2 CO2 + H2O + NO3- + boues +Energie

CO2 + H2O


Mécanismes de dégradation de la pollution azotée

NH4+ (eau brute) ammonification

Nitrification (nitrosomonas nitrobacter)

NH4+

NO2-

NO3-

Dénitrification (pseudomonas)

NO2-

N2

N organique (eau brute)

Assimilation (azote partant dans les boues en excès)

Demande des temps de contact assez long (24 h pour doubler la population bactérienne) Très sensible à la température (optimum à 30°C)

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Procédé bio. Evolution des différents paramètres au cours d’une dégradation de MO Dans un batch (échantillon)

S ou

[Biomasse] Conso O2

[MO]

X = concentration en biomasse S( = x) = concentration en substrat (en MO) XV/X = biomasse vivante/biomasse totale


La phase de latence I: phase de latence

Adaptation des µorganismes au substrat Taux de croissance de la biomasse, dX/dt =0

[Biomasse] Conso O2

[MO]


La phase de croissance exponentielle II: phase de croissance exponentielle Taux de croissance maximum: dX/dt max Toute la biomasse est vivante

[Biomasse] Conso O2

[MO]


La phase de ralentissement III: phase de ralentissement Epuisement du substrat Diminution du taux de croissance dX/dt Apparition de cellules mortes Modification de l’aspect de la biomasse Formation de flocs décantables = boue activée

[Biomasse] Conso O2

[MO]

C’est la phase intéressante pour le traitement


La phase stationnaire IV: phase stationnaire Courte Taux de croissance nul dX/dt =0

[Biomasse] Conso O2

[MO]


La phase de déclin V: phase de déclin Epuisement du substrat Augmentation du taux de mortalité dX/dt <0 Phase de respiration endogène

[Biomasse] Conso O2

[MO]


Eléments de Dimensionnement

Bassin de boues activées

Facteurs influençant le rendement Transformation de la MO par les µorganismes charge âge des boues Séparation floc bactérien – eau épurée âge des boues O2

Décanteur secondaire


Eléments de Dimensionnement Facteurs influençant le rendement:Charge massique CM Charge polluante biodégradable (kg/j) CM = Masse de biomasse contenue dans le réacteur (kg)

CM( j-1) =

Q. DBOentrée MVS . V ???

Q( m3/j) = débit journalier et V(m3) = volume du bassin DBO(kg/m3)

MVS(kg/m3)

MVS = caractéristique de la MES organique, et de la partie épuratrice des boues (micro organismes)


Eléments de Dimensionnement Facteurs influençant le rendement Charge volumique CV Charge polluante biodégradable (kg/j) CV =

CV(

kg.m-3.j-1)

Volume du réacteur (m3)

=

Q. DBOentrée V

Q( m3/j) = débit journalier et V(m3) = volume du bassin


Eléments de Dimensionnement Facteurs influençant le rendement CM conditionne: le η d’épuration

CM faible η élevé la production de boues en excès CM faible peu de boues les besoins en O2 CM faible besoins importants la décantabilité des flocs 0,22 < CM (j-1) < 0,33


Eléments de Dimensionnement Facteurs influençant le rendement L’âge des boues A A (j) =

Masse de Biomasse dans le réacteur (kg) Masse de boues extraite par jour (kg/j)

MVSbassin . V A (j) = MVSdecanteur sortie . Q boues sortie MVS bassin MVS decanteur sortie Q boues sortie


Eléments de Dimensionnement Facteurs influençant le rendement A donne une indication sur l’état physiologique de la biomasse: A petit: phase exponentielle de croissance A grand: proche de la phase de déclin [Biomasse]

A conditionne: la décantabilité des boues 4 j < Aoptimal < 9 j

Conso O

[MO]

Phase de croissance ralentie


Eléments de Dimensionnement Caractérisation de la décantabilité des boues: en plus de la courbe de Kynch (cours OSF)

Détermination de l’Indice de Mohlman (IM) IM = Volume occupé par 1 gramme de boue après 30 min de décantation

1l

1l

V (cm3) IM = P (g)

V = vol de boues P = masse sèche contenue dans V t=0

t = 30 min


Eléments de Dimensionnement Caractérisation de la décantabilité des boues

Si IM est grand, mauvaise décantabilité

Bonne décantabilité: 80 < IM (cm3/g) < 150 IM < 50: aspect granuleux, risque de dépôts IM > 200: gonflement dû à l’eau


Eléments de Dimensionnement Performances en fonction de la charge massique DBO éliminée DCO éliminée Tps séjour (h) % %

Type de charge

CM (j-1)

Faible (aération prolongée)

0,07 à 0,15

Moyenne charge

0,2 à 0,5

environ 90

Forte charge

1,5 à 2,5

65 à 75

> 95

Eaux résiduaires urbaines

> 90

12 à 24

environ 85

2à4

60 à 70

½à1


Eléments de Dimensionnement Calcul de la biomasse produite

biomasse produite par oxydation des MO – biomasse auto-oxydée (au cours de la réaction (au cours de la réaction de synthèse) de respiration endogène)

* MO

*

* *


*

*

* cellules

*

*

*

Synthèse


* 77%** * * * * * * * 23% * *


*

*

*

∆Sv = (kg/j)

biomasse produite = ∆Sv (kg/j)

*

1

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Procédé bio. Calcul de la biomasse produite ∆Sv

Proportionnalité entre production de biomasse et MO éliminée:

2

biomasse produite par oxydation des MO = a.Le

a = coef. global d’utilisation du substrat Le (kg/j) = masse de MO éliminée/j = Qe.(DBOentrée bassin – DBOsortie bassin)

Qe DBOe On néglige le recyclage

Qs = Qe DBOs

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Procédé bio. Calcul de la biomasse produite ∆Sv Proportionnalité entre biomasse auto oxydée et biomasse présente:

3

biomasse auto-oxydée = b.Sv

b (j-1) = cste de décès (taux de respiration endogène) Sv (kg) = masse de biomasse présente dans le bassin ([MVS]b.V)

Qe DBOe On néglige le recyclage

Qs = Qe DBOs

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Procédé bio. Calcul de la biomasse produite ∆Sv Récapitulatif (vous l’avez déjà écrit tout cela) 1

∆Sv = (kg/j)

biomasse produite par oxydation des MO (au cours de la réaction de synthèse)

– biomasse auto-oxydée (au cours de la réaction de respiration endogène)

biomasse produite par oxydation des MO = a.Le 2 biomasse auto-oxydée = b.Sv

3

∆Sv = a. Le – b. Sv Définition de a, b, Le et Sv indispensables à l’utilisation de la formule !!!


Eléments de Dimensionnement Consommation d’oxygène (sans élimination de N) Oxygène consommé par les 3 réactions

* MO

*

*

*

Synthèse


* 77%** * * * * * * * 23% * *

*

*

* *


* cellules

*


*

*

*

*

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Procédé bio. Consommation d’oxygène Distinction entre oxygène consommé par - la dégradation des MO (synthèse, catalyse) (1+2) - la dégradation des micro organismes (respiration endogène) (3)

O2 conso (kg/j) = O2 conso (1+2) + O2 conso (3) Consommation due à la dégradation de la MO proportionnelle à la MO dégradée:

O2 conso (1+2) (kg/j) = a0. Le a0 = cste caractéristique de la conso d’O2 due à la synthèse et à la catalyse Le (kg/j) = masse de MO éliminée/j

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Procédé bio. Consommation d’oxygène Consommation due à la dégradation des µorga proportionnelle à biomasse présente:

O2 conso (3) (kg/j) = b’. Sv

b’ (j-1) = cste caractéristique de la conso d’O2 pour l’auto-oxydation* Sv (kg) = masse de biomasse présente dans le bassin * b’ = α b

où b = cste de décès

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Procédé bio. Consommation d’oxygène Récapitulatif (vous l’avez déjà écrit tout cela)

O2 conso (kg/j) = O2 conso (1+2) + O2 conso (3) O2 conso (1+2) (kg/j) = a0. Le O2 conso (3) (kg/j) = b’. Sv

O2conso = a0.Le + b’.Sv Définition de a0, b’, Le et Sv indispensables à l’utilisation de la formule !!!

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Procédé bio. Rappel et complément sur les grandeurs caractéristiques: Matières en suspension (mg/l) MEST, matières en suspension totales: totalité des particules solides constituée de MESD: mat en suspension décantables en 2 h (particules denses) MESND: mat en suspension non décantables (colloïdes) Et encore MEST contient: MM: mat minérales MVS: matières volatiles solides (MO) caractéristiques de la biomasse distinction par calcination à 550°C. Demande chimique en Oxygène (mg O2/l)

MO + O2

CO2 + H2O

Consommation d’oxygène lors d’une réaction d’oxydation au bichromate de potassium Attention, prise en compte des espèces réductrices minérales présentes dans l’eau Demande biochimique en Oxygène (mg O2/l) Quantité d’oxygène consommée par la MO biodégradable.

DCO > ou = DBO

CH II. LES TRAITEMENTS 1. Introduction 2. Provenance et Traitabilité 3. Traitement des effluents urbains Caractéristiques (pas traité cette année) Finalité du traitement (rappel) La filière

4. Traitement des effluents industriels

CH II. LES TRAITEMENTS 1. Introduction 2. Provenance et Traitabilité 3. Traitement des effluents urbains Caractéristiques Finalité du traitement (rappel) La filière


Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains

Finalité du Traitement (rappel): Protection du milieu Substances à éliminer: * MES solides (envasement) * MES colloïdales (transparence diminuée) * liquides non solubles dans l’eau (transport O2 diminué, adsorption) -graisses, hydrocarbures, tensioactifs* MO soluble (consommation d’O2) * N et P (eutrophisation) * produits toxiques (mortalité)

CH II. LES TRAITEMENTS 1. Introduction 2. Provenance et Traitabilité 3. Traitement des effluents urbains Caractéristiques (pas vu en cours) Finalité du traitement (rappel) La filière


Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains

LA FILIERE DE TRAITEMENT Prétraitements

Traitements secondaires

Traitement primaire


Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Filière

Prétraitements

Dégrillage

Dessablage

Grosses particules

Sables, graviers

Déshuilage

Relèvement

Huiles, hydrocarbures


Prétraitements Le relèvement

Vis sans fin véhiculer le mélange liquide/gros débris solides


Prétraitements Le dégrillage Vise les particules dont la dégradation Par voie chimique ou biochimique est impossible

But: Elimine les grosses particules séparables, qui pourraient endommager les équipements suivants


Prétraitements Le dégrillage Manuel Automatique Dégrillage grossier: 1cm < écartement < 10cm Dégrillage fin: 1mm < écartement < 15mm


Prétraitements Le dégrillage

Grille droite

Grille courbe


Prétraitements Le dessablage Dessableur rigole Ou Dessableurs circulaires

But: Eliminer sables et gravier par gravité Particules de forte densité


Prétraitements Le dégraisseur

Injection d’air comprimé

Flottation des huiles et évacuation par raclage But: Eliminer les corps gras (huiles, graisses, hydrocarbures) Produits insolubles de faible densité


Prétraitements Canal d’acheminement dégraisseur/décanteur primaire


Traitements primaires

Décanteur primaire

Traitement des boues primaires: épaississement

La plupart du temps sans agent floculant


Traitements primaires Le décanteur (décanteur statique) décanteur circulaire décanteur longitudinal rectangulaire

But: Elimine les MES décantables (à 60%) Elimine environ 40% de la DBO


Traitements primaires Le décanteur circulaire

racleur


Traitements primaires Le décanteur lamellaire, principe

Zone de mélange Accumulation boues


Traitements secondaires

Dans deux, ou un seul ouvrage(s): 1/ transformation de la MO dissoute en Moxydée en suspension 2/ séparation du liquide et du solide Bassin d’aération

Décanteur secondaire Rejet dans le milieu, Traitements complémentaires (dénitrification, déphosphatation) Traitement des boues secondaires: stabilisation épaississement


Traitements secondaires Double mission du procédé: mise en contact entre l’effluent et le milieu biologique (apport d’oxygène nécessaire) séparation de l’effluent traité et de la biomasse formée


Traitements par boues activées L’aération Les fonctions, rappel: Introduction de l’Oxygène nécessaire à l’oxydation de la MO Brassage de la suspension de boues activées: homogénéisation, limitation des dépots (Vmin eau de 0,15 à 0,2 m/s)

Les dispositifs: Aérateurs de surface: turbines

Systèmes d’injection d’air surpressé en profondeur (bulles de 2mm à 6 mm de diamètre)


Traitements par boues activées


Traitements des boues


boues

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Filière L’aération: transfert d’oxygène

[O2]s < [O2]i [O2] = 0

[O2]i Rendement d’oxygénation (cas d’une insufflation d’air) permet de déterminer la masse d’O2 transférée à partir de celle fournie dans le cas complexe d’un bassin de boues activée η = masse d’O2 dissous/masse d’O2 fournie

Apport spécifique nominal en kg d’O2 (ou coefficient d’aération spécifique) masse d’O2 introduite en dépensant une énergie de 1kW.h (1kW.h = 1kW. 3600s soit 3600 kJ) Ex: une bonne turbine donne 1,5 à 5 kgO2/(kWh)


Traitements secondaires Le bassin de boues activées


Traitements secondaires Le bassin de boues activées


Traitements secondaires Décanteur secondaire ou clarificateur. Caractérisé par une grande efficacité: rendement de l’ordre de 99% Ordre de grandeur de la concentration de la solution entrante: Ordre de grandeur de la concentration en eau clarifiée:

3000 mg/l de MES

recyclage

Décanteur secondaire

30 mg/l de MES

1,2 . 10 3 C max = IM Traitement des boues secondaires: stabilisation épaississement


Traitements secondaires Le décanteur secondaire, ou clarificateur

Le reste n’a pas été traité en cours cette année. Il est conseillé de le lire.


Traitements secondaires Les procédés à biomasse fixée lits bactériens lits granulaires disques biologiques


Biomasse fixée Biofiltres

Systèmes à lits granulaires (charbon, argiles)

Réalise à la fois la réaction de dégradation de la MO par la biomasse fixée et la clarification par filtration


Traitements tertiaires Traitement complémentaire: vise à améliorer la qualité de l’eau

- Éliminer plus de MES, DBO, DCO Microtamisage Filtration sur sable Biofiltration ou lagunage Adsorption sur charbon actif … - Elimination de l’azote et du phosphore Procédés biologique (nitrification-dénitrification) Physico-chimique (précipitation du phosphore)


Lagunage: variante du traitement par boues activées


Lagunes naturelles Anaérobies partiellement sinon aérobies, recevant des effluents bruts ou prétraités Oxygène fourni par l’activité photosynthétique des algues vertes Nécessite un fort ensoleillement et de faibles profondeurs d’eau (0,8 à 1 m)


Le lagunage aéré Variante du traitement par boues activées Epuration dans un bassin naturel, sans recirculation des boues


Lagunes aérées aérobies, on apporte de l’oxygène par un moyen mécanique (turbines) Oxygène fourni par des aérateurs de surface

CH II. LES TRAITEMENTS 1. Introduction 2. Provenance et Traitabilité 3. Traitement des effluents urbains Caractéristiques Finalité du traitement (rappel) La filière


Ch II. Les traitements Traitement des effluents industriels

Grande diversité des rejets industriels

Investigation propre à chaque type d’industrie Procédés spécifiques

Nécessité d’avoir une parfaite connaissance: -Des procédés de fabrication - de l’organisation des circuits


Origine des effluents - effluents généraux de fabrication - transport hydraulique de certains produits, - lavage et élimination d’impuretés apportées par les matières premières, - élimination de la matière première ou de fabrication, - matière première

- effluents de services généraux eaux vannes, eaux de purge de chaufferie

- rejets occasionnels fuites accidentelles


Caractéristiques générales des effluents - Détermination - des fabrications types, des matières premières consommées - des possibilités de séparation des rejets et/ou de recyclage - des volumes journaliers d’effluents - des débits horaires moyens et maximum (fréquence et durée) - du flux de pollution moyen et max par catégorie de rejets


Paramètres spécifiques Classés en fonction du type de traitement possible -éléments insolubles séparables physiquement avec ou sans floculation matières flottantes (graisses, hydrocarbures, huiles ...) matières en suspension (sables, soufre colloïdal, fibres, adjuvants de filtration ...) -éléments organiques séparables par adsorption colorants, détergents, composés macromoléculaires divers, composés phénolés, dérivés nitrés, dérivés chlorés -éléments séparables par précipitation métaux toxiques ou non (Fe, Cu, Zn, ...) précipitables dans une certaine zone de pH, PO42-, SO42-, SO32-,F-éléments séparables par strippage ou dégazage H2S, NH3, SO2, phénols, hydrocarbures légers ou aromatiques, dérivés chlorés -éléments pouvant nécessiter une réaction d’oxydoréduction CN-,S2-, Cl2,NO2-acides minéraux et bases - éléments concentrables par échange d’ions ou osmose inverse sels d’acide et de bases forts, composés organiques ionisés (échange d’ions) ou non - éléments biodégradables sucres, protéines, phénols


Les Filières

Traitements préliminaires

Traitements Physico-chimiques

Traitements biologiques

Traitements tertiaires

Ch II. Les traitements Traitement des effluents industriels Les traitements préliminaires conditions de prétraitement des effluents d’usine très variées - dégrillage souhaitable dans la plupart des industries indispensable en industrie agro-alimentaire et en papêterie

- dessablage seulement dans certaines industries (laminoires, fonderies, sablières)

- dégraissage fréquent sur les effluent d’industrie agro-alimentaires et de laminage à froid

- déshuilage souvent nécessaire

- neutralisation peut être indispensable avant épuration biologique

- refroidissement

Filières


Filières

Les traitements physico-chimiques Suivant le cas, stade intermédiaire ou un stade final du traitement -dégazage/stripping -décantation ou flottation avec ou sans floculation - filtration directe ou précédée d’une décantation ou d’une flottation afin d’éliminer les MES et les émulsions -neutralisation (H+, OH-), oxydo-réduction (CrVI, CN-), précipitation (CrIII, F, PO43+) - oxydation, adsorption pour les molécules organiques moyennement solubles

Ch II. Les traitements Traitement des effluents industriels Les traitements biologiques

Rappel des critères: - absence ou élimination partielle des toxiques, - équilibre nutritionnel, - biodégradabilité de l’effluent.

les différents procédés biologiques existant : - boues activées, - cultures fixées (filtres, biodisques), - traitements anaérobies.

Filières


Filières

Les traitements tertiaires Après épuration biologique

Différents objectifs : - réduction des MES, - élimination de composés spécifiques (phénols ) - élimination de la DCO non biodégradable - élimination de la couleur

Mise en œuvre : - décanteurs, - flottateurs, - filtres granulaires ou non

- adsorption sur charbon actif ou sur un autre adsorbant, - ultrafiltration, - oxydations diverses (oxygène à haute température et pression, chlore, ozone)

CH I. LA POLLUTION 1. 2. 3.

Introduction Classification Principaux critères de qualité

4.

Conséquences (pas traité en cours) sanitaires écologiques économiques ex: eutrophisation

Ch I. La pollution Conséquences

Conséquences Sanitaires santé publique

Prioritaires

Ecologiques (dégradation du milieu) subjectif (paramètres de comparaison) réduction des potentialités d’exploitation

Economiques utilisation industrielle, agricole, tourisme

Ch I. La pollution Conséquences Un exemple

L’Eutrophisation

Un problème environnemental d’actualité!

Plage dans les Côtes d’Armor

Tonnage d’algues ramassées par an Sur les côtes bretonnes


L’Eutrophisation Définition: pollution nutritionnelle = fertilisation excessive des eaux dûe à un apport massif de composés azotés et phosphorés Mécanismes: prolifération d’algues

? forte consommation d’O2 augmentation de la matière organique asphyxie du milieu – composés toxiques – destruction d’habitat Milieux touchés: Etangs)

Mer (marée verte) +

+

rivières


L’Eutrophisation: espèces en cause FORMES VEGETALES Phytoplancton (algues microscopiques en suspension)

ASPECT Eau colorée, réduction de la transparence

Diatomées fixées Dépôts sur le fond des cours d'eau (algues microscopiques)

Algues filamenteuses fixées

Grandes algues envahissant parfois toute la masse d'eau

Végétaux supérieurs

Allure de végétaux terrestres

PHOTO


L’Eutrophisation: conditions de développement

Apport en N, P, nutriments +: Risques d’eutrophisation

faible

fort

Echauffement de l’eau Vitesse du courant Eclairement Habitat

modéré élevé modéré diversifié

élevé faible élevé homogène

Ch I. La pollution Conséquences Conséquences de la pollution en fonction des milieux touchés Cours d’eau Pollution principalement due aux Matières Organiques Perte de potabilité, diminution des ressources biologiques, dégradation de l’aspect, impossibilité de baignade, perte de l’usage agricole et industriel Lacs

Eutrophisation Problème d’aspect Nécessité de traitements pour la consommation Apparition de gouts et d’odeurs en distribution

Eaux souterraines Nitrates, pesticides, toxiques Milieux marins

Eutrophisation, hydrocarbures, pollution bactérienne

Ch II: les traitements Introduction pas traitée en cours

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Caractéristiques

Caractéristiques des effluents urbains Origine: eaux résiduaires Eaux ménagères (graisses, produits d’entretien, MES) Eaux vannes/WC (substances minérales, MO, bactéries, virus) eaux pluviales (MES, hydrocarbures) eaux de provenance industrielle Mise en place d’un réseau séparatif

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Caractéristiques

Aspects quantitatifs: 1/ Consommation ménagère dans le monde

2/ Volume/habitant/jour = f( taille agglomération)

Ch II. Les traitements Traitement des effluents urbains Caractéristiques Aspects quantitatifs: Répartition des utilisations ménagères

Type de pollution engendrée Matière Organique Matière Organique solide Azote Phosphore Organismes pathogènes Autre

N et P excédentaires dans les eaux domestiques 1/3 pollution organique éliminé par décantation

FIN

Eaux Usées (Cours)

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