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Traitement des eaux usées


Traitement des eaux usées est le processus de suppression contaminants des eaux usées et des eaux usées domestiques. Il comprend des processus physiques, chimiques et biologiques pour éliminer les contaminants physiques, chimiques et biologiques. Son objectif est de produire un flux de déchets fluides (ou effluent traité) respectueux de l’environnement et un déchet solide (ou boue traitée) pouvant être éliminé ou réutilisé (comme engrais agricole s’il n’est pas contaminé). En utilisant une technologie de pointe, il est maintenant possible de réutiliser les effluents des eaux usées pour l’eau potable, bien que Singapour soit le seul pays à mettre en œuvre une telle technologie à l’échelle de production dans sa production de NEWater.

Origines des eaux usées

Les eaux usées sont produites par les établissements résidentiels, institutionnels, commerciaux et industriels. Il comprend les déchets ménagers des toilettes, des bains, des douches, des cuisines, des éviers, etc. qui sont éliminés via les égouts. Dans de nombreux domaines, les eaux usées comprennent également les déchets liquides de l’industrie et du commerce. La séparation et le drainage des déchets ménagers en eaux grises et eaux noires est de plus en plus courant dans les pays développés, les eaux grises étant autorisées à être utilisées pour l’arrosage des plantes ou recyclées pour la chasse d’eau des toilettes.

Les eaux usées peuvent inclure le ruissellement des eaux pluviales, assainissement les systèmes capables de traiter les eaux pluviales sont appelés systèmes combinés. Les réseaux d’égouts combinés sont généralement évités maintenant parce que les précipitations entraînent des débits très variables réduisant l’efficacité des stations d’épuration. Les égouts combinés nécessitent des installations de traitement beaucoup plus grandes et plus coûteuses que les égouts sanitaires. Un ruissellement important peut submerger le système de traitement des eaux usées, provoquant un déversement ou un débordement. Les égouts sanitaires sont généralement beaucoup plus petits que les égouts unitaires et ne sont pas conçus pour transporter les eaux pluviales. Des refoulements d’eaux usées brutes peuvent se produire si une infiltration / un afflux excessif est autorisé dans un système d’égout sanitaire.

Les aménagements modernes d’égouts ont tendance à être équipés de systèmes d’évacuation des eaux pluviales séparés.[3] Au fur et à mesure que la pluie se propage sur les toits et le sol, elle peut ramasser divers contaminants, notamment des particules de sol et d’autres sédiments, des métaux lourds, des composés organiques, des déchets animaux et des huiles et graisses. Certaines juridictions exigent que les eaux pluviales reçoivent un certain niveau de traitement avant d’être rejetées directement dans les cours d’eau. Les exemples de procédés de traitement utilisés pour les eaux pluviales comprennent les bassins de rétention, les zones humides, les voûtes enterrées avec divers types de filtres à média et les séparateurs vortex (pour éliminer les solides grossiers).

Présentation du processus

Les eaux usées peuvent être traitées à proximité de leur lieu de création, un système décentralisé (dans des fosses septiques, des biofiltres ou des systèmes de traitement aérobie), ou être collectées et transportées via un réseau de canalisations et de stations de pompage vers une station d’épuration municipale, un système centralisé. La collecte et le traitement des eaux usées sont généralement soumis aux réglementations et normes locales, étatiques et fédérales. Les sources industrielles d’eaux usées nécessitent souvent des procédés de traitement spécialisés.

Le traitement des eaux usées comprend généralement trois étapes, appelées traitement primaire, secondaire et tertiaire.

  • Traitement primaire consiste à retenir temporairement les eaux usées dans un bassin au repos où les solides lourds peuvent se déposer au fond tandis que l’huile, la graisse et les solides plus légers flottent à la surface. Les matériaux déposés et flottants sont éliminés et le liquide restant peut être évacué ou soumis à un traitement secondaire.
  • Traitement secondaire élimine les matières biologiques dissoutes et en suspension. Le traitement secondaire est généralement effectué par des micro-organismes indigènes d’origine hydrique dans un habitat géré. Le traitement secondaire peut nécessiter un processus de séparation pour éliminer les micro-organismes de l’eau traitée avant le rejet ou le traitement tertiaire.
  • Traitement tertiaire est parfois défini comme autre chose qu’un traitement primaire et secondaire afin de permettre le rejet dans un écosystème très sensible ou fragile (estuaires, rivières à faible débit, récifs coralliens, …). L’eau traitée est parfois désinfectée chimiquement ou physiquement (par exemple, par lagunes et microfiltration) avant d’être rejetée dans un ruisseau, une rivière, une baie, un lagon ou une zone humide, ou elle peut être utilisée pour l’irrigation d’un terrain de golf, d’une voie verte ou d’un parc. S’il est suffisamment propre, il peut également être utilisé pour la recharge des eaux souterraines ou à des fins agricoles.
Diagramme de flux de processus pour une usine de traitement à grande échelle typique
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Diagramme de flux de processus pour une usine de traitement typique via des zones humides construites à écoulement souterrain (SFCW)
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Prétraitement

Le prétraitement élimine les matières qui peuvent être facilement collectées des eaux usées brutes avant qu’elles n’endommagent ou obstruent les pompes et les conduites d’égouts des clarificateurs de traitement primaire (déchets, branches d’arbres, feuilles, branches, etc.).

Dépistage

L’eau d’égout affluent passe à travers un tamis à barres pour enlever tous les gros objets tels que les bidons, les chiffons, les bâtons, les paquets en plastique, etc. transportés dans le courant d’égout. Ceci est le plus souvent réalisé avec un tamis à barres à ratissage mécanique automatisé dans les usines modernes desservant de grandes populations, tandis que dans les usines plus petites ou moins modernes, un tamis nettoyé manuellement peut être utilisé. L’action de ratissage d’un tamis à barres mécanique est typiquement rythmée en fonction de l’accumulation sur les tamis à barres et / ou du débit. Les solides sont collectés et ensuite jetés dans une décharge, ou incinérés. Des tamis à barres ou des tamis à mailles de différentes tailles peuvent être utilisés pour optimiser l’élimination des solides. Si les solides bruts ne sont pas éliminés, ils sont entraînés dans les tuyaux et les pièces mobiles de l’usine de traitement, et peuvent causer des dommages substantiels et une inefficacité du processus.

Enlèvement de grain

Le prétraitement peut inclure un canal ou une chambre de sable ou de sable, où la vitesse des eaux usées entrantes est ajustée pour permettre le dépôt du sable, du gravier, des pierres et du verre brisé. Ces particules sont éliminées car elles peuvent endommager les pompes et autres équipements. Pour les petits réseaux d’égouts sanitaires, les chambres à sable peuvent ne pas être nécessaires, mais l’élimination du sable est souhaitable dans les usines plus grandes. Les chambres à sable sont de 3 types: chambres à sable horizontales, chambres à sable aérées et chambres à sable vortex.

Égalisation du débit

Les clarificateurs et le traitement secondaire mécanisé sont plus efficaces dans des conditions d’écoulement uniforme. Les bassins de péréquation peuvent être utilisés pour le stockage temporaire des pics de débit diurnes ou par temps humide. Les bassins fournissent un endroit pour retenir temporairement les eaux usées entrantes pendant l’entretien de l’usine et un moyen de diluer et de distribuer les rejets de lots de déchets toxiques ou à haute résistance qui pourraient autrement empêcher le traitement secondaire biologique (y compris les déchets de toilettes portables, les réservoirs de retenue des véhicules et les pompes de fosses septiques) . Les bassins d’égalisation de débit nécessitent un contrôle de débit variable, comprennent généralement des dispositions pour la dérivation et le nettoyage, et peuvent également inclure des aérateurs. Le nettoyage peut être plus facile si le bassin est en aval du tamisage et de l’élimination des gravillons.

Élimination des graisses et des graisses

Dans certaines usines plus grandes, la graisse et la graisse sont éliminées en faisant passer les eaux usées dans un petit réservoir où les écumeurs collectent la graisse flottant à la surface. Des souffleurs à air à la base du réservoir peuvent également être utilisés pour aider à récupérer la graisse sous forme de mousse. Cependant, de nombreuses usines utilisent des clarificateurs primaires avec des skimmers mécaniques pour éliminer la graisse et la graisse.

Traitement primaire

Au primaire sédimentation étape, les eaux usées s’écoulent dans de grands réservoirs, communément appelés « bassins de pré-décantation », « bassins de sédimentation primaires » ou « clarificateurs primaires ». Les réservoirs sont utilisés pour décanter les boues tandis que la graisse et les huiles remontent à la surface et sont écrémées. Les décanteurs primaires sont généralement équipés de racleurs à entraînement mécanique qui entraînent en permanence les boues collectées vers une trémie au fond du bassin où elles sont pompées vers les installations de traitement des boues. La graisse et l’huile du matériau flottant peuvent parfois être récupérées pour la saponification.

Les dimensions du réservoir doivent être conçues de manière à éliminer un pourcentage élevé de matières flottantes et de boues. Un bassin de sédimentation typique peut éliminer de 50 à 70 pour cent des solides en suspension et de 30 à 35 pour cent de la demande biochimique en oxygène (DBO) des eaux usées.

Traitement secondaire

Traitement secondaire est conçu pour dégrader sensiblement le contenu biologique des eaux usées qui sont dérivées des déchets humains, des déchets alimentaires, des savons et des détergents. La majorité des usines municipales traitent la liqueur d’égout décantée à l’aide de procédés biologiques aérobies. Pour être efficace, le biote a besoin d’oxygène et de nourriture pour vivre. Les bactéries et les protozoaires consomment des contaminants organiques solubles biodégradables (par exemple, sucres, graisses, molécules de carbone organiques à chaîne courte, etc.) et lient la plupart des fractions moins solubles en flocons. Les systèmes de traitement secondaire sont classés comme film fixe ou croissance suspendue systèmes.

  • Film fixe ou croissance attachée les systèmes comprennent des filtres à ruissellement, des biotoures et des contacteurs biologiques rotatifs, où la biomasse se développe sur les milieux et les eaux usées passent à sa surface. Le directeur du film fixe s’est encore développé dans les processus de réacteurs à biofilm à lit mobile (MBBR) et de boues activées à film fixe intégrées (IFAS). Un système MBBR nécessite généralement une empreinte plus petite que les systèmes à croissance suspendue. (Noir & Veatch)
  • Croissance suspendue les systèmes comprennent des boues activées, où la biomasse est mélangée aux eaux usées et peut être utilisée dans un espace plus petit que les filtres à ruissellement qui traitent la même quantité d’eau. Cependant, les systèmes à film fixe sont plus capables de faire face aux changements drastiques de la quantité de matière biologique et peuvent fournir des taux d’élimination plus élevés pour la matière organique et les solides en suspension que les systèmes de croissance en suspension.

Les filtres d’ébauche sont destinés à traiter des charges organiques particulièrement fortes ou variables, typiquement industrielles, pour leur permettre ensuite d’être traités par des procédés de traitement secondaire classiques. Les caractéristiques comprennent des filtres remplis de médias auxquels les eaux usées sont appliquées. Ils sont conçus pour permettre une charge hydraulique élevée et un niveau d’aération élevé. Sur les grandes installations, l’air est forcé à travers le média à l’aide de soufflantes. Les eaux usées résultantes se situent généralement dans la plage normale des procédés de traitement conventionnels.

Un diagramme schématique généralisé d’un processus de boues activées.

Un filtre élimine un petit pourcentage de la matière organique en suspension, tandis que la majorité de la matière organique subit un changement de caractère, uniquement en raison de l’oxydation biologique et de la nitrification se produisant dans le filtre. Avec cette oxydation aérobie et cette nitrification, les solides organiques sont convertis en masse en suspension coagulée, qui est plus lourde et plus volumineuse, et peut se déposer au fond d’un réservoir. L’effluent du filtre passe donc dans un bac de sédimentation, appelé clarificateur secondaire, décanteur secondaire ou bac à humus.

Boues activées

En général, les usines de boues activées englobent une variété de mécanismes et de processus qui utilisent de l’oxygène dissous pour favoriser la croissance de flocons biologiques qui éliminent considérablement la matière organique.

Le procédé emprisonne les particules et peut, dans des conditions idéales, convertir l’ammoniac en nitrite et nitrate (nitrification) et finalement en azote gazeux (dénitrification).

Un bassin aéré en surface typique (utilisant des aérateurs flottants motorisés)

Bassins aérés en surface (lagunes)

De nombreux petits réseaux d’égouts municipaux aux États-Unis (1 million de gallons / jour ou moins) utilisent des lagunes aérées

La plupart des procédés d’oxydation biologique pour le traitement des eaux usées industrielles ont en commun l’utilisation de l’oxygène (ou de l’air) et l’action microbienne. Les bassins aérés en surface permettent d’éliminer 80 à 90% de la DBO avec des temps de rétention de 1 à 10 jours.] Les bassins peuvent avoir une profondeur de 1,5 à 5,0 mètres et utiliser des aérateurs motorisés flottant à la surface des eaux usées.

Dans un système de bassin aéré, les aérateurs remplissent deux fonctions: ils transfèrent l’air dans les bassins requis par les réactions d’oxydation biologique, et ils fournissent le mélange nécessaire à la dispersion de l’air et à la mise en contact des réactifs (c’est-à-dire oxygène, eaux usées et microbes) . En règle générale, les aérateurs à surface flottante sont conçus pour fournir une quantité d’air équivalente à 1,8 à 2,7 kg O2/ kW · h. Cependant, ils ne fournissent pas un mélange aussi bon que celui qui est normalement obtenu dans les systèmes à boues activées et par conséquent, les bassins aérés n’atteignent pas le même niveau de performance que les unités à boues activées.

Les processus d’oxydation biologique sont sensibles à la température et, entre 0 ° C et 40 ° C, la vitesse des réactions biologiques augmente avec la température. La plupart des navires aérés en surface fonctionnent entre 4 ° C et 32 ​​° C.

Lits filtrants (lits oxydants)

Zones humides construites

Les zones humides construites (peuvent être à écoulement de surface ou à écoulement souterrain, à écoulement horizontal ou vertical), comprennent des roselières artificielles et appartiennent à la famille de la phytorestoration et des écotechnologies; ils fournissent un degré élevé d’amélioration biologique et, selon la conception, agissent comme traitement primaire, secondaire et parfois tertiaire, voir également la phytoremédiation. Un exemple est une petite roselière utilisée pour nettoyer le drainage de l’enclos des éléphants au zoo de Chester en Angleterre; de nombreux CW sont utilisés pour recycler l’eau de la ville de Honfleur en France et de nombreuses autres villes d’Europe, des États-Unis, d’Asie et d’Australie. Ils sont connus pour être des systèmes hautement productifs car ils copient les zones humides naturelles, appelées les «reins de la terre» pour leur capacité fondamentale de recyclage du cycle hydrologique dans la biosphère. Robustes et fiables, leurs capacités de traitement s’améliorent avec le temps, à l’opposé des stations d’épuration classiques dont les machines vieillissent avec le temps. Ils sont de plus en plus utilisés, bien qu’une conception adéquate et expérimentée soit plus fondamentale que pour d’autres systèmes et que la limitation de l’espace peut entraver leur utilisation.

Biotechnologie des sols

Un nouveau processus appelé bio-technologie du sol (SBT) développé à l’IIT Bombay a montré d’énormes améliorations dans l’efficacité du processus permettant une réutilisation totale de l’eau, en raison des exigences de puissance de fonctionnement extrêmement faibles de moins de 50 joules par kg d’eau traitée. En règle générale, les systèmes SBT peuvent atteindre des niveaux de demande chimique en oxygène (DCO) inférieurs à 10 mg / L à partir des eaux usées de 400 mg / L de DCO. Les plantes SBT présentent des réductions élevées des valeurs de DCO et du nombre de bactéries en raison des densités microbiennes très élevées disponibles dans les milieux. Contrairement aux usines de traitement conventionnelles, les usines SBT produisent des quantités insignifiantes de boues, ce qui évite le besoin de zones d’élimination des boues requises par d’autres technologies.

Dans le contexte indien, les stations d’épuration conventionnelles tombent dans un état de délabrement systémique en raison 1) des coûts d’exploitation élevés, 2) de la corrosion des équipements due à la méthanogenèse et au sulfure d’hydrogène, 3) de la non-réutilisabilité de l’eau traitée en raison d’une DCO élevée (> 30 mg / L ) et le nombre élevé de coliformes fécaux (> 3000 NFU), 4) le manque de personnel d’exploitation qualifié et 5) les problèmes de remplacement de l’équipement. Des exemples de telles défaillances systémiques ont été documentés par la Fondation Sankat Mochan dans le bassin du Gange après qu’un effort de nettoyage massif du gouvernement indien en 1986 par la mise en place de stations d’épuration dans le cadre du plan d’action du Ganga n’a pas réussi à améliorer la qualité de l’eau du fleuve.

Filtres aérés biologiques

Les filtres biologiques aérés (ou anoxiques) (BAF) ou les biofiltres combinent la filtration avec la réduction biologique du carbone, la nitrification ou la dénitrification. Le BAF comprend généralement un réacteur rempli d’un filtre médias. Le média est soit en suspension, soit soutenu par une couche de gravier au pied du filtre. Le double objectif de ce média est de supporter la biomasse hautement active qui y est attachée et de filtrer les solides en suspension. La réduction du carbone et la conversion de l’ammoniac se produisent en mode aérobie et parfois réalisées dans un seul réacteur tandis que la conversion des nitrates se produit en mode anoxique. Le BAF est exploité en configuration à flux ascendant ou descendant selon la conception spécifiée par le fabricant.

Diagramme schématique d’un contacteur biologique rotatif (RBC) typique. Le clarificateur / décanteur d’effluent traité n’est pas inclus dans le diagramme.

Contacteurs biologiques rotatifs

Les contacteurs biologiques rotatifs (GR) sont des systèmes de traitement secondaire mécanique, robustes et capables de résister aux surtensions de charge organique. Les RBC ont été installés pour la première fois en Allemagne en 1960 et ont depuis été développés et raffinés en une unité opérationnelle fiable. Les disques rotatifs favorisent la croissance des bactéries et des micro-organismes présents dans les eaux usées, qui décomposent et stabilisent les polluants organiques. Pour réussir, les micro-organismes ont besoin à la fois d’oxygène pour vivre et de nourriture pour se développer. L’oxygène est obtenu à partir de l’atmosphère lorsque les disques tournent. Au fur et à mesure que les micro-organismes se développent, ils s’accumulent sur le milieu jusqu’à ce qu’ils soient éliminés en raison des forces de cisaillement fournies par les disques rotatifs dans les eaux usées. L’effluent du RBC est ensuite passé à travers clarificateurs où les micro-organismes en suspension se déposent sous forme de boue. Les boues sont retirées du clarificateur pour un traitement ultérieur.

Un système de filtration biologique fonctionnellement similaire est devenu populaire dans le cadre de la filtration et de la purification des aquariums domestiques. L’eau de l’aquarium est aspirée hors du réservoir, puis mise en cascade sur une roue à mailles de fibres ondulées en rotation libre avant de passer à travers un filtre à média et de revenir dans l’aquarium. La roue à mailles en rotation développe un revêtement de biofilm de micro-organismes qui se nourrissent des déchets en suspension dans l’eau de l’aquarium et sont également exposés à l’atmosphère lorsque la roue tourne. Ceci est particulièrement efficace pour éliminer les déchets d’urée et d’ammoniac urinés dans l’eau de l’aquarium par les poissons et autres animaux.

Bioréacteurs à membrane

Les bioréacteurs à membrane (MBR) combinent le traitement des boues activées avec un processus de séparation liquide-solide par membrane. Le composant de membrane utilise des membranes de microfiltration ou d’ultrafiltration basse pression et élimine le besoin de clarification et de filtration tertiaire. Les membranes sont généralement immergées dans le bassin d’aération; cependant, certaines applications utilisent un réservoir à membrane séparé. L’un des principaux avantages d’un système MBR est qu’il surmonte efficacement les limitations associées à une mauvaise décantation des boues dans les procédés classiques à boues activées (CAS). La technologie permet un fonctionnement en bioréacteur avec une concentration de solides en suspension dans la liqueur mélangée (MLSS) considérablement plus élevée que les systèmes CAS, qui sont limités par la décantation des boues. Le procédé est généralement mis en œuvre à un MLSS dans la plage de 8 000 à 12 000 mg / L, tandis que les CAS sont opérés dans la plage de 2 000 à 3 000 mg / L. La concentration élevée de biomasse dans le procédé MBR permet une élimination très efficace des matériaux biodégradables solubles et particulaires à des taux de charge plus élevés. Ainsi, des temps de rétention des boues plus longs, dépassant généralement 15 jours, assurent une nitrification complète même par temps extrêmement froid.

Le coût de construction et d’exploitation d’un MBR est souvent plus élevé que les méthodes conventionnelles de traitement des eaux usées. Les filtres à membrane peuvent être aveuglés avec de la graisse ou abrasés par du sable en suspension et n’ont pas la flexibilité d’un clarificateur pour passer les débits de pointe. La technologie est devenue de plus en plus populaire pour les flux de déchets prétraités de manière fiable et a gagné une acceptation plus large là où l’infiltration et l’afflux ont été contrôlés, cependant, et les coûts du cycle de vie ont diminué régulièrement. Le faible encombrement des systèmes MBR et l’effluent de haute qualité produit les rendent particulièrement utiles pour les applications de réutilisation de l’eau.

Sédimentation secondaire

Secondaire Fosse sceptique dans une station d’épuration rurale.

La dernière étape de l’étape de traitement secondaire consiste à décanter le floc biologique ou le matériau filtrant à travers un clarificateur secondaire et à produire des eaux usées contenant de faibles niveaux de matière organique et de matière en suspension.

Traitement tertiaire

Le traitement tertiaire a pour but de fournir une étape finale de traitement pour augmenter la qualité des effluents avant leur rejet dans le milieu récepteur (mer, rivière, lac, sol, etc.). Plus d’un procédé de traitement tertiaire peut être utilisé dans n’importe quelle station d’épuration. Si la désinfection est pratiquée, c’est toujours le processus final. Il est également appelé «polissage des effluents».

Filtration

La filtration sur sable élimine une grande partie des matières en suspension résiduelles. Filtration sur charbon actif, également appelée adsorption de carbone, élimine les toxines résiduelles.

Lagunage

Une station d’épuration et une lagune à Everett, Washington, États-Unis.

La lagunage permet un règlement et une amélioration biologique supplémentaire grâce au stockage dans de grands étangs ou lagunes artificielles. Ces lagunes sont très aérobies et la colonisation par les macrophytes indigènes, en particulier les roseaux, est souvent encouragée. Petit filtre alimentant les invertébrés tels que Daphnie et espèces de Rotifera aide grandement au traitement en éliminant les particules fines.

Élimination des nutriments

Les eaux usées peuvent contenir des niveaux élevés de nutriments azote et phosphore. Un rejet excessif dans l’environnement peut entraîner une accumulation de nutriments, appelée eutrophisation, qui peut à son tour encourager la prolifération des mauvaises herbes, des algues et des cyanobactéries (algues bleu-vert). Cela peut provoquer une prolifération d’algues, une croissance rapide de la population d’algues. Les nombres d’algues ne sont pas viables et la plupart d’entre eux finissent par mourir. La décomposition des algues par les bactéries consomme tellement d’oxygène dans l’eau que la plupart ou la totalité des animaux meurent, ce qui crée plus de matière organique pour que les bactéries se décomposent. En plus de provoquer une désoxygénation, certaines espèces d’algues produisent des toxines qui contaminent les réserves d’eau potable. Différents procédés de traitement sont nécessaires pour éliminer l’azote et le phosphore.

Élimination de l’azote

L’élimination de l’azote est effectuée par l’oxydation biologique de l’azote de l’ammoniac en nitrate (nitrification), suivie d’une dénitrification, la réduction du nitrate en azote gazeux. L’azote gazeux est rejeté dans l’atmosphère et donc éliminé de l’eau.

La nitrification elle-même est un processus aérobie en deux étapes, chaque étape étant facilitée par un type différent de bactéries. L’oxydation de l’ammoniac (NH3) au nitrite (NON2) est le plus souvent facilité par Nitrosomonas spp. (nitroso se référant à la formation d’un groupe fonctionnel nitroso). Oxydation des nitrites en nitrates (NO3), bien que traditionnellement considérée comme facilitée par Nitrobacter spp. (nitro faisant référence à la formation d’un groupe fonctionnel nitro), est maintenant connu pour être facilité dans l’environnement presque exclusivement par Nitrospira spp.

La dénitrification nécessite des conditions anoxiques pour encourager la formation des communautés biologiques appropriées. Elle est facilitée par une grande diversité de bactéries. Les filtres à sable, les lagunages et les roselières peuvent tous être utilisés pour réduire l’azote, mais le processus de boues activées (s’il est bien conçu) peut faire le travail le plus facilement. Comme la dénitrification est la réduction du nitrate en gaz diazote, un donneur d’électrons est nécessaire. Cela peut être, en fonction des eaux usées, de la matière organique (provenant des fèces), du sulfure ou d’un donneur ajouté comme le méthanol. Les boues des cuves anoxiques (cuves de dénitrification) doivent être bien mélangées (mélange de liqueur mixte recirculée, retour des boues activées [RAS]et affluent brut), par ex. en utilisant des mélangeurs submersibles afin d’obtenir la dénitrification souhaitée.

Parfois, la conversion de l’ammoniac toxique en nitrate seul est appelée traitement tertiaire.

De nombreuses usines de traitement des eaux usées utilisent des pompes centrifuges pour transférer la liqueur mixte nitrifiée de la zone d’aération à la zone anoxique pour la dénitrification. Ces pompes sont souvent appelées Recyclage interne des liqueurs mixtes (IMLR) pompes.

Élimination du phosphore

Chaque personne excrète entre 200 et 1000 grammes de phosphore par an. Des études sur les eaux usées aux États-Unis à la fin des années 1960 ont estimé la contribution moyenne par habitant de 500 grammes dans l’urine et les matières fécales, 1000 grammes dans les détergents synthétiques et des quantités moins variables utilisées comme produits chimiques de contrôle de la corrosion et du tartre dans les approvisionnements en eau. Le contrôle à la source via des formulations détergentes alternatives a par la suite réduit la contribution la plus importante, mais la teneur en urine et en matières fécales restera inchangée. L’élimination du phosphore est importante car c’est un élément nutritif limitant la croissance des algues dans de nombreux systèmes d’eau douce. (Pour une description des effets négatifs des algues, voir Élimination des nutriments). Il est également particulièrement important pour les systèmes de réutilisation de l’eau où des concentrations élevées de phosphore peuvent entraîner un encrassement des équipements en aval comme l’osmose inverse.

Le phosphore peut être éliminé biologiquement dans un processus appelé élimination biologique améliorée du phosphore. Dans ce processus, des bactéries spécifiques, appelées organismes accumulateurs de polyphosphates (PAO), sont sélectivement enrichies et accumulent de grandes quantités de phosphore dans leurs cellules (jusqu’à 20% de leur masse). Lorsque la biomasse enrichie en ces bactéries est séparée de l’eau traitée, ces biosolides ont une valeur fertilisante élevée.

L’élimination du phosphore peut également être obtenue par précipitation chimique, généralement avec des sels de fer (par exemple chlorure ferrique), d’aluminium (par exemple d’alun) ou de chaux. Cela peut conduire à une production excessive de boues car les hydroxydes précipitent et les produits chimiques ajoutés peuvent être coûteux. L’élimination chimique du phosphore nécessite une empreinte d’équipement nettement plus petite que l’élimination biologique, est plus facile à utiliser et est souvent plus fiable que l’élimination biologique du phosphore . Une autre méthode d’élimination du phosphore consiste à utiliser de la latérite granulaire.

Une fois éliminé, le phosphore, sous la forme d’une boue riche en phosphate, peut être stocké dans une décharge ou revendu pour être utilisé dans les engrais.

Désinfection

Le but de la désinfection dans le traitement des eaux usées est de réduire considérablement le nombre de micro-organismes dans l’eau à rejeter dans l’environnement pour une utilisation ultérieure pour boire, se baigner, irriguer, etc. L’efficacité de la désinfection dépend de la qualité des l’eau traitée (p. ex. trouble, pH, etc.), le type de désinfection utilisé, le dosage du désinfectant (concentration et durée) et d’autres variables environnementales. L’eau trouble sera traitée avec moins de succès, car la matière solide peut protéger les organismes, en particulier des rayons ultraviolets ou si les temps de contact sont faibles. Généralement, des temps de contact courts, de faibles doses et des débits élevés militent contre une désinfection efficace. Les méthodes courantes de désinfection comprennent l’ozone, le chlore, la lumière ultraviolette ou l’hypochlorite de sodium. La chloramine, qui est utilisée pour l’eau potable, n’est pas utilisée dans le traitement des eaux usées en raison de sa persistance. Après plusieurs étapes de désinfection, l’eau traitée est prête à être relâchée dans le cycle de l’eau au moyen de la masse d’eau la plus proche ou de l’agriculture. Ensuite, l’eau peut être transférée dans des réserves pour les usages humains quotidiens.

La chloration demeure la forme la plus courante de désinfection des eaux usées en Amérique du Nord en raison de son faible coût et de son efficacité à long terme. Un inconvénient est que la chloration des matières organiques résiduelles peut générer des composés organiques chlorés qui peuvent être cancérigènes ou nocifs pour l’environnement. Le chlore résiduel ou les chloramines peuvent également être capables de chlore des matières organiques dans l’environnement aquatique naturel. De plus, comme le chlore résiduel est toxique pour les espèces aquatiques, l’effluent traité doit également être déchloré chimiquement, ce qui augmente la complexité et le coût du traitement.

La lumière ultraviolette (UV) peut être utilisée à la place du chlore, de l’iode ou d’autres produits chimiques. Comme aucun produit chimique n’est utilisé, l’eau traitée n’a aucun effet néfaste sur les organismes qui la consomment plus tard, comme cela peut être le cas avec d’autres méthodes. Les rayons UV endommagent la structure génétique des bactéries, virus et autres agents pathogènes, les rendant incapables de se reproduire. Les principaux inconvénients de la désinfection UV sont la nécessité d’un entretien et d’un remplacement fréquents de la lampe et la nécessité d’un effluent hautement traité pour garantir que les micro-organismes cibles ne sont pas protégés du rayonnement UV (c’est-à-dire que tout solide présent dans l’effluent traité peut protéger les micro-organismes la lumière UV). Au Royaume-Uni, la lumière ultraviolette devient le moyen de désinfection le plus courant en raison des préoccupations concernant les effets du chlore dans la chloration des matières organiques résiduelles dans les eaux usées et dans la chloration des matières organiques dans les eaux réceptrices. Certains systèmes de traitement des eaux usées au Canada et aux États-Unis utilisent également la lumière UV pour la désinfection de leurs effluents.

Ozone (O3) est généré par le passage d’oxygène (O2) à travers un potentiel de haute tension entraînant la fixation d’un troisième atome d’oxygène et la formation d’O3. L’ozone est très instable et réactif et oxyde la plupart des matières organiques avec lesquelles il entre en contact, détruisant ainsi de nombreux micro-organismes pathogènes. L’ozone est considéré comme plus sûr que le chlore car, contrairement au chlore qui doit être stocké sur place (très toxique en cas de rejet accidentel), l’ozone est généré sur place selon les besoins. L’ozonation produit également moins de sous-produits de désinfection que la chloration. Un inconvénient de la désinfection à l’ozone est le coût élevé de l’équipement de génération d’ozone et les exigences pour des opérateurs spéciaux.

Contrôle des odeurs

Les odeurs émises par le traitement des eaux usées sont généralement une indication d’une condition anaérobie ou «septique». Les premières étapes du traitement auront tendance à produire des gaz nauséabonds, le sulfure d’hydrogène étant le plus courant pour générer des plaintes. Les grandes usines de traitement dans les zones urbaines traiteront souvent les odeurs avec des réacteurs au carbone, un milieu de contact avec des bio-slimes, de petites doses de chlore ou des fluides en circulation pour capturer et métaboliser biologiquement les gaz désagréables. D’autres méthodes de contrôle des odeurs existent, y compris l’addition de sels de fer, de peroxyde d’hydrogène, de nitrate de calcium, etc. pour gérer les niveaux de sulfure d’hydrogène. Les pompes pour solides à haute densité conviennent pour réduire les odeurs en transportant les boues à travers des conduites fermées hermétiques.

Installations de conditionnement et réacteurs discontinus

Pour utiliser moins d’espace, traiter les déchets difficiles et les flux intermittents, un certain nombre de conceptions d’usines de traitement hybrides ont été produites. Ces usines combinent souvent au moins deux étapes des trois étapes principales de traitement en une seule étape combinée. In the UK, where a large number of wastewater treatment plants serve small populations, package plants are a viable alternative to building a large structure for each process stage. In the US, package plants are typically used in rural areas, highway rest stops and trailer parks.[20]

One type of system that combines secondary treatment and settlement is the sequencing batch reactor (SBR). Typically, activated sludge is mixed with raw incoming sewage, and then mixed and aerated. The settled sludge is run off and re-aerated before a proportion is returned to the headworks. SBR plants are now being deployed in many parts of the world.

The disadvantage of the SBR process is that it requires a precise control of timing, mixing and aeration. This precision is typically achieved with computer controls linked to sensors. Such a complex, fragile system is unsuited to places where controls may be unreliable, poorly maintained, or where the power supply may be intermittent. Extended aeration package plants use separate basins for aeration and settling, and are somewhat larger than SBR plants with reduced timing sensitivity.

Package plants may be referred to as high charged ou low charged. This refers to the way the biological load is processed. In high charged systems, the biological stage is presented with a high organic load and the combined floc and organic material is then oxygenated for a few hours before being charged again with a new load. In the low charged system the biological stage contains a low organic load and is combined with flocculate for longer times.

Sludge treatment and disposal

The sludges accumulated in a wastewater treatment process must be treated and disposed of in a safe and effective manner. The purpose of digestion is to reduce the amount of organic matter and the number of disease-causing microorganisms present in the solids. The most common treatment options include anaerobic digestion, aerobic digestion, and composting. Incineration is also used albeit to a much lesser degree.[6]:19-21

The equipment used in treatment plants are the following: first, the sludge is passed trough a so-called pre-thickener or main sludge thickener This dewaters the sludge. Types of pre-thickeners include: centrifugal sludge thickeners, rotary drum sludge thickeners, and belt filter presses. After this, the actual digestion is done in a tank, and after this, the remaining solid is moved off.

Sludge treatment depends on the amount of solids generated and other site-specific conditions. Composting is most often applied to small-scale plants with aerobic digestion for mid sized operations, and anaerobic digestion for the larger-scale operations.

Anaerobic digestion

Anaerobic digestion is a bacterial process that is carried out in the absence of oxygen. The process can either be thermophilic digestion, in which sludge is fermented in tanks at a temperature of 55°C, or mesophilic, at a temperature of around 36°C. Though allowing shorter retention time (and thus smaller tanks), thermophilic digestion is more expensive in terms of energy consumption for heating the sludge.

Anaerobic digestion is the most common (mesophilic) treatment of domestic sewage in septic tanks, which normally retain the sewage from one day to two days, reducing the BOD by about 35 to 40 percent. This reduction can be increased with a combination of anaerobic and aerobic treatment by installing Aerobic Treatment Units (ATUs) in the septic tank.

Mesophilic Anaerobic Digestion (MAD) is also the most common method for treating sludge produced at Sewage Treatment Plants. The sludge is fed into large tanks and held for a minimum of 12 days to allow the digestion process to perform the 4 stages necessary to digest the sludge. These are Hydrolysis, acidogenesis, Acetogenesis and Methanogenesis. In this process the complex proteins and sugars are broken down to form more simple compounds such as water, carbon dioxide and methane

One major feature of anaerobic digestion is the production of biogas (with the most useful component being methane), which can be used in generators for electricity production and/or in boilers for heating purposes. Many larger sites utilize the biogas for combined heat and power, using the cooling water from the generators to maintain the temperature of the digestion plant at the required 35 degrees +/- 3

Aerobic digestion

Aerobic digestion is a bacterial process occurring in the presence of oxygen. Under aerobic conditions, bacteria rapidly consume organic matter and convert it into carbon dioxide. The operating costs used to be characteristically much greater for aerobic digestion because of the energy used by the blowers, pumps and motors needed to add oxygen to the process.

Aerobic digestion can also be achieved by using diffuser systems or jet aerators to oxidize the sludge. Fine bubble diffusers are typically the more cost-efficient diffusion method, however, plugging is typically a problem due to sediment settling into the smaller air holes. Coarse bubble diffusers are more commonly used in activated sludge tanks (generally a side process in waste water management) or in the flocculation stages. A key component for selecting diffuser type is to ensure it will produce the required oxygen transfer rate.

Composting

Composting is also an aerobic process that involves mixing the sludge with sources of carbon such as sawdust, straw or wood chips. In the presence of oxygen, bacteria digest both the wastewater solids and the added carbon source and, in doing so, produce a large amount of heat.

Incineration

Incineration of sludge is less common because of air emissions concerns and the supplemental fuel (typically natural gases or fuel oil) required to burn the low calorific value sludge and vaporize residual water. Stepped multiple hearth incinerators with high residence time and fluidized bed incinerators are the most common systems used to combust wastewater sludge. Co-firing in municipal waste-to-energy plants is occasionally done, this option being less expensive assuming the facilities already exist for solid waste and there is no need for auxiliary fuel.

Sludge disposal

When a liquid sludge is produced, further treatment may be required to make it suitable for final disposal. Typically, sludges are thickened (dewatered) to reduce the volumes transported off-site for disposal. There is no process which completely eliminates the need to dispose of biosolids. There is, however, an additional step some cities are taking to superheat sludge and convert it into small pelletized granules that are high in nitrogen and other organic materials. In New York City, for example, several sewage treatment plants have dewatering facilities that use large centrifuges along with the addition of chemicals such as polymer to further remove liquid from the sludge. The removed fluid, called centrate, is typically reintroduced into the wastewater process. The product which is left is called « cake » and that is picked up by companies which turn it into fertilizer pellets. This product is then sold to local farmers and turf farms as a soil amendment or fertilizer, reducing the amount of space required to dispose of sludge in landfills. Much sludge originating from commercial or industrial areas is contaminated with toxic materials that are released into the sewers from the industrial processes.Elevated concentrations of such materials may make the sludge unsuitable for agricultural use and it may then have to be incinerated or disposed of to landfill.

Treatment in the receiving environment

The outlet of the Karlsruhe sewage treatment plant flows into the Alb.

Many processes in a wastewater treatment plant are designed to mimic the natural treatment processes that occur in the environment, whether that environment is a natural water body or the ground. If not overloaded, bacteria in the environment will consume organic contaminants, although this will reduce the levels of oxygen in the water and may significantly change the overall ecology of the receiving water. Native bacterial populations feed on the organic contaminants, and the numbers of disease-causing microorganisms are reduced by natural environmental conditions such as predation or exposure to ultraviolet radiation. Consequently, in cases where the receiving environment provides a high level of dilution, a high degree of wastewater treatment may not be required. However, recent evidence has demonstrated that very low levels of specific contaminants in wastewater, including hormones (from animal husbandry and residue from human hormonal contraception methods) and synthetic materials such as phthalates that mimic hormones in their action, can have an unpredictable adverse impact on the natural biota and potentially on humans if the water is re-used for drinking water. In the US and EU, uncontrolled discharges of wastewater to the environment are not permitted under law, and strict water quality requirements are to be met, as clean drinking water is essential. (For requirements in the US, see Clean Water Act.) A significant threat in the coming decades will be the increasing uncontrolled discharges of wastewater within rapidly developing countries.

Effects on Biology

Sewage treatment plants can have multiple effects on nutrient levels in the water that the treated sewage flows into. These effects on nutrients can have large effects on the biological life in the water in contact with the effluent. Stabilization ponds (or treatment ponds) can include any of the following:

  • Oxidation ponds, which are aerobic bodies of water usually 1–2 meters in depth that receive effluent from sedimentation tanks or other forms of primary treatment.
  • Polishing ponds are similar to oxidation ponds but receive effluent from an oxidation pond or from a plant with an extended mechanical treatment.
  • Facultative lagoons, raw sewage lagoons, or sewage lagoons are ponds where sewage is added with no primary treatment other than coarse screening. These ponds provide effective treatment when the surface remains aerobic; although anaerobic conditions may develop near the layer of settled sludge on the bottom of the pond.
  • Anaerobic lagoons are heavily loaded ponds.
  • Sludge lagoons are aerobic ponds, usually 2–5 meters in depth, that receive anaerobically digested primary sludge, or activated secondary sludge under water.
  • Upper layers are dominated by algae

Phosphorus limitation is a possible result from sewage treatment and results in flagellate-dominated plankton, particularly in summer and fall.

At the same time a different study found high nutrient concentrations linked to sewage effluents. High nutrient concentration leads to high chlorophyll a concentrations, which is a proxy for primary production in marine environments. High primary production means high phytoplankton populations and most likely high zooplankton populations because zooplankton feed on phytoplankton. However, effluent released into marine systems also leads to greater population instability.

A study done in Britain found that the quality of effluent affected the planktonic life in the water in direct contact with the wastewater effluent. Turbid, low-quality effluents either did not contain ciliated protozoa or contained only a few species in small numbers. On the other hand, high-quality effluents contained a wide variety of ciliated protozoa in large numbers. Due to these findings, it seems unlikely that any particular component of the industrial effluent has, by itself, any harmful effects on the protozoan populations of activated sludge plants.

The planktonic trends of high populations close to input of treated sewage is contrasted by the bacterial trend. In a study of Aeromonas spp. in increasing distance from a wastewater source, greater change in seasonal cycles was found the furthest from the effluent. This trend is so strong that the furthest location studied actually had an inversion of the Aeromonas spp. cycle in comparison to that of fecal coliforms. Since there is a main pattern in the cycles that occurred simultaneously at all stations it indicates seasonal factors (temperature, solar radiation, phytoplankton) control of the bacterial population. The effluent dominant species changes from Aeromonas caviae in winter to Aeromonas sobria in the spring and fall while the inflow dominant species is Aeromonas caviae, which is constant throughout the seasons.

Sewage treatment in developing countries

Few reliable figures exist on the share of the wastewater collected in sewers that is being treated in the world. In many developing countries the bulk of domestic and industrial wastewater is discharged without any treatment or after primary treatment only. In Latin America about 15% of collected wastewater passes through treatment plants (with varying levels of actual treatment). In Venezuela, a below average country in South America with respect to wastewater treatment, 97 percent of the country’s sewage is discharged raw into the environment. In a relatively developed Middle Eastern country such as Iran, the majority of Tehran’s population has totally untreated sewage injected to the city’s groundwater. However now the construction of major parts of the sewage system, collection and treatment, in Tehran is almost complete, and under development, due to be fully completed by the end of 2012. In Isfahan, Iran’s third largest city, sewage treatment was started more than 100 years ago.

In Israel, about 50 percent of agricultural water usage (total use was 1 billion cubic metres in 2008) is provided through reclaimed sewer water. Future plans call for increased use of treated sewer water as well as more desalination plants.

Most of sub-Saharan Africa is without wastewater treatment.



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