Les stations d’épuration sont des installations industrielles qui rendent aux eaux usées une qualité compatible avec le cours d’eau récepteur.
Dans une station d'épuration, le traitement des eaux va se réaliser dans une série d'ouvrages, mis les uns derrière les autres et jouant chacun un rôle bien particulier. L'épuration se réalise par élimination des éléments les plus grossiers (objets encombrants) jusqu'aux éléments microscopiques (matières dissoutes). Les techniques mises en œuvre sont variables et retenues en fonction d'une série de paramètres tels que :
- la nature des eaux usées
- la qualité de l'épuration souhaitée
- les caractéristiques du réseau d'égouttage
- les conditions climatiques
- la topographie et la nature du terrain
- la surface disponible
- le coût du terrain
- etc.
Bien que les techniques mises en œuvre pour réaliser le traitement d'une eau usée puissent varier d'une installation à l'autre, les différentes étapes souvent rencontrées dans une station d'épuration sont assez semblables.
Les premiers traitements visent essentiellement à débarrasser les eaux usées des déchets qui ne peuvent être traités par voie biologique et pourraient, de plus, causer des dégâts aux installations. Il s’agit habituellement de traitements physiques (dégrillage, dessablage, déshuilage) ou physico-chimiques (décantation primaire avec coagulation-floculation). Ils sont également appelés : traitements primaires.
Vient ensuite le traitement dit « secondaire » qui vise essentiellement à éliminer les matières carbonées dissoutes ou en suspension dans les eaux usées. Ce traitement se réalise essentiellement par voie biologique.
Lorsque les conditions de rejet l’exigent, les traitements dits « tertiaires » assurent l’élimination des nutriments (essentiellement l’azote et le phosphore).
Il existe également des traitements complémentaires spécifiques, appelés « traitements quaternaires » qui assurent, si nécessaire, le peaufinage de l’épuration en éliminant, par exemple, les germes pathogènes en amont d’une zone de baignade ou les micropolluants. Ces traitements sont souvent très coûteux et ne sont mis en place que lorsqu’une circonstance particulière l’exige.
Traitement primaire
Dégrillage
Cette opération de traitement primaire consiste à retenir les objets ou détritus grossiers (morceaux de bois, plastiques, filasses, boîtes de conserve, etc.) véhiculés par les eaux usées, sur une grille constituée de barreaux dont l'écartement est variable suivant l'efficacité voulue. Cette grille est ensuite nettoyée régulièrement soit manuellement dans les petites installations, soit automatiquement à l’aide d’un dégrilleur à râteau ou à peigne pour les installations plus importantes.
Dessablage-déshuilage
Les opérations de dessablage et de déshuilage font partie du traitement primaire des eaux usées.
Les matières minérales en suspension dans l'eau et d'une granulométrie supérieure à environ 200 microns (sables, gravillons, etc.) sont piégées dans un ouvrage par décantation. Ces sables et graviers sont retirés des eaux pour éviter qu’ils n’usent les équipements électromécaniques des traitements suivants en raison de leur grande abrasivité et pour éviter également qu’ils ne décantent dans les bassins biologiques.
A l’AIDE, les sables et graviers retirés sont stockés dans des conteneurs puis conduits au centre de traitement de produits de curage de la station d’épuration de Liège-Oupeye.
Les huiles et graisses, de par leur densité inférieure à celle de l'eau, se retrouvent retenues par flottation soit dans l’ouvrage de dessablage soit de façon séparée. Ces matières sont retirées des eaux usées car leur dégradation biologique prend un temps très important, incompatible avec les temps de séjour des eaux dans la station d’épuration.
A l’AIDE, les huiles et graisses retenues sont soit séchées et évacuées soit traitées spécifiquement dans le centre de traitement des stations d’épuration d’Engis ou de Liège-Oupeye.
Décantation primaire
La décantation primaire se réalise dans des bassins de grande dimension (décantation simple) ou dans des décanteurs lamellaires (décantation assistée) avec ajout d’agents permettant la coagulation et la floculation des matières en suspension.
Les matières décantées, appelées "boues primaires" et composées essentiellement de matières minérales en suspension de dimensions inférieures à 200 microns sont récupérées en fond de bassin pour être envoyées vers le traitement des boues.
Ces procédés ont surtout été utilisés dans des stations d'épuration fonctionnant suivant le principe de l'épuration biologique par biomasse fixée. Ils ont été progressivement abandonnés lors du développement des stations d’épuration par boues activées en culture libre.
Ils retrouvent toutefois leurs lettres de noblesse dans le traitement des eaux de pluie mais également lorsque la taille de la station d’épuration permet de rentabiliser des filières de récupération de l’énergie
contenue dans les boues d’épuration (méthanisation, incinération, etc.). En effet, les boues primaires, n’ayant pas été minéralisées dans les processus de traitement biologique, sont fortement chargées en matières organiques brutes, très fermentescibles et ayant un pouvoir calorifique plus élevé que les boues secondaires.
Traitement secondaire
Épuration biologique
Le principe du traitement consiste à mettre en contact une biomasse composée de bactéries aérobies (c'est à dire se développant en présence d'oxygène), des substances nutritives (substances organiques présentes dans les eaux et constituant la pollution) et de l'air.
Les bactéries en présence d'air se nourrissent des substances organiques et se reproduisent par scissiparité (scission en deux parties égales de la bactérie).
Les bactéries s'agglomèrent en incorporant également une partie des matières en suspension. Les matières organiques solubles sont ainsi transformées en flocons, particules de grosse taille plus facilement décantables.
Les principaux types de traitement sont :
Ce procédé consiste à développer la biomasse dans des grands bassins dans lesquelles sont envoyées les eaux usées et de l'air destiné à l'oxygénation des bactéries. Ces bassins sont appelés couramment « bassins d'aération ».
Le filtre bactérien
Le filtre ou lit bactérien est un ouvrage, généralement cylindrique, contenant des matériaux présentant une grande proportion de vide (blocs de lave, matières plastiques, etc.).
L'eau usée répartie au-dessus du filtre, s'écoule par gravité à travers celui-ci en entrant en contact avec la biomasse qui tapisse les matériaux de remplissage.
La biomasse en excès est ensuite entraînée par le ruissellement des eaux à travers le filtre.
Les biodisques
Le principe de ce procédé est la fixation de la biomasse sur des disques ou des rouleaux en matière synthétique (polystyrène, PVC, etc.) présentant une surface de contact maximale.Ces disques ou rouleaux, montés sur un axe et à moitié immergés dans l'eau usée, sont mis en rotation.
De par cette rotation, les bactéries composant la biomasse passent successivement d'une phase de nutrition à une phase d'aération.
La biomasse en excès se détache de son support et est entraînée par le flux des eaux usées.
Le lagunage facultatif aéré
Dans ce type de procédé, l'épuration biologique s'accomplit par l'action de micro-organismes aérobies et anaérobies (c'est à dire se développant en absence totale d'oxygène) sur les éléments biodégradables.
Cette opération se réalise dans de grandes lagunes dans lesquelles le système d'aération crée un mouvement lent de la masse liquide, la biomasse se déposant sur le fond des lagunes.
Clarification
A la sortie de l'étage d'épuration biologique, l'eau épurée est mélangée à la biomasse formée.
La séparation de ces éléments se réalise dans un clarificateur où la biomasse, de densité supérieure à celle de l'eau, va se déposer dans le fond de l'ouvrage.
La biomasse est soit renvoyée en tête du traitement biologique, soit extraite vers le traitement des boues.
L'eau épurée est quant à elle envoyée vers le milieu naturel.
Traitement tertiaire
Le traitement de l'azote
L'eau usée domestique contient de l'azote sous forme organique, des nitrites et des nitrates, mais principalement ammoniacale.
L'élimination de l'azote se réalise en deux étapes :
- la première, appelée « nitrification » et réalisée en phase aérobie dans les bassins d'aération, consiste à transformer l'ammoniaque en nitrates.
- la seconde, appelée « dénitrification » et réalisée dans des conditions d'anoxie (c'est à dire en absence d'oxygène), consiste à transformer les nitrates en azote gazeux.
Cette seconde étape est obtenue soit dans des cuves spécifiques, soit dans les bassins d'aération durant des périodes de non-aération.
pdf L'élimination biologique de l'azote (331 KB)
Le traitement du phosphore
L'eau usée domestique contient du phosphore principalement sous forme de phosphates.
L'élimination du phosphore par voie biologique se réalise par incorporation de celui-ci dans la boue.
Pour ce faire, il convient préalablement de développer un type de micro-organisme (PAO) accumulateur de phosphore et naturellement présent dans l'eau usée.
Le développement de ce type de micro-organisme s'accomplit dans des bassins fonctionnant en anaérobiose et situés en tête des ouvrages du traitement secondaire.
pdf L'élimination du phosphore (701 KB)Traitement quaternaire
La désinfection
Le séjour des eaux usées dans les égouts puis leur traitement dans la station d’épuration ont raison d’une grande partie des organismes pathogènes présents naturellement dans les eaux que nous rejetons à l’égout (songeons à tous les gens malades que peut abriter une ville !).
Dans un traitement classique, aucune garantie ne peut cependant être donnée quant à l’innocuité bactériologique totale des eaux rejetées alors que celles-ci sont parfois déversées en amont d’une zone de baignade. Il est donc nécessaire de compléter le traitement en assurant la désinfection des eaux à l’aide d’un traitement complémentaire. Les organismes pathogènes peuvent notamment être éliminés par ozonation ou par rayons ultra-violet (UV).
L’élimination des micropolluants
Le traitement des eaux usées vise à rendre les eaux usées suffisamment propres pour être remises dans le cours d’eau. Bien que cela soit techniquement possible (mais très cher), il n’a pas pour but de produire de l’eau potable.
Il peut cependant être nécessaire d’éliminer des substances qui se trouvent dans les eaux usées à des concentrations très faibles mais qui peuvent constituer un problème environnemental. De plus en plus, des substances comme les médicaments, les œstrogènes, les cosmétiques, les parfums, les métaux, les biocides, les produits d’apprêt des tissus, les retardateurs de flamme, etc. sont pistés dans nos rejets et pourraient faire l’objet soit d’une limitation d’usage soit d’un traitement spécifique en station d’épuration.
De nouveaux procédés se développent tels que les techniques membranaires qui assurent des niveaux de traitement quasi équivalents à la production d’eau potable. Ils sont cependant encore très chers tant à l’investissement qu’à l’exploitation.