Procédés utilisés dans les phases d'épuration additionnelles

Procédés

L’élimination ciblée des micropolluants dans les stations d’épuration communales peut être accomplie de différentes manières. Ces approches peuvent être classées en procédés par adsorption, procédés par oxydation et procédés physiques. Il existe en outre des possibilités de combinaison, entre autres avec des filtres plantés, que l’on peut classer parmi les procédés quasi naturels.

La vue d’ensemble ci-après présente des procédés d’élimination des micropolluants qui sont soit réalisés et exploités plusieurs fois déjà à grande échelle ou qui ont été étudiés comme installations pilotes dans le cadre du projet de recherche CoMinGreat et qui sont très prometteurs.

En Suisse et en Allemagne, notamment dans le Bade-Wurtemberg et en Rhénanie-du-Nord-Westphalie, un certain nombre de stations d’épuration mettent en œuvre un procédé basé sur l’adsorption, comme le CAG ou le CAP ou des procédés oxydatifs (ozonation).

Les procédés physiques de filtration comme la nanofiltration et l’osmose inverse ne sont pas encore employés pour l’élimination complémentaire des micropolluants dans le domaine de l’épuration des eaux urbaines. Cela principalement en raison de la consommation élevée d’énergie et des grandes quantités de concentré qui doivent être traitées à leur tour. La nanofiltration et l’osmose inverse sont donc surtout employées pour le traitement de l’eau potable et l’épuration des eaux usées industrielles.

Vue d'ensemble des procédés

Combinaisons de procédés

Légende

Réalisé à grande échelle dans plusieurs stations d’épuration urbaines

Procédés développés et étudiés dans CoMinGreat et EmiSûre, échelle d’un pilote, bons résultats, aucune réalisation à grande échelle à ce jour.

Aucune application dans des stations d’épuration urbaines

Adsorption mécanique

Les différents procédés d’adsorption se basent sur un processus d’équilibrage dans lequel les substances dissoutes dans l’eau s’accumulent à la surface d’un agent d’adsorption jusqu’à ce qu’un état d’équilibre soit atteint.

Les substances à éliminer sont appelées adsorbat et l’agent d’adsorption est appelé adsorbant. 

Il y a désorption quand l’adsorbat se détache à nouveau de l’adsorbant. 

L’adsorbant utilisé pour l’épuration des eaux usées urbaines est du charbon actif. Le charbon actif chargé de polluants doit ensuite être extrait du système. La mise en pratique se déroule soit par le dosage du charbon actif en poudre (CAP), qui est extrait avec les boues, soit par filtration sur lit fixe avec du charbon actif en granulés (CAG), qui doit être échangé régulièrement.

L’adsorption sur charbon actif est fonction de la charge du charbon actif à ce moment et de la concentration des micropolluants dans les eaux usées. Plus la concentration résiduelle visée est faible, plus la charge du charbon actif est faible et plus le volume de charbon actif nécessaire est important.

Différentes matières premières comme le charbon, la tourbe ou le bois peuvent être utilisées pour la fabrication du charbon actif. Les étapes de production consistent essentiellement en une cokéfaction, c’est-à-dire une pyrolyse, et une activation thermique. On obtient ainsi une matière avec une surface intérieure relativement importante.

Charbon actif granulé

Le charbon actif granulé est employé dans un filtre volumique rempli de CAG ou d’adsorbant que les eaux usées à traiter doivent traverser. Ces filtres peuvent être réalisés sous la forme de filtres sous pression fermés ou de filtres ouverts, fonctionnant de manière continue ou discontinue.

Le CAG reste dans le filtre jusqu’à ce que la capacité de charge du charbon actif soit épuisée. L’utilisation de charbon actif granulé dans les lits fixes de filtration autorise une réactivation thermique du charbon actif chargé de polluants. Comme un filtre volumétrique normal, le filtre à CAG est rétrolavé à intervalles réguliers. Le procédé est cependant exploité avec une vitesse de filtration plus lente.

Comme les autres procédés, les filtres à CAG suivent la décantation secondaire et sont déjà en service dans des stations d’épuration de Rhénanie-du-Nord-Westphalie et du Bade-Wurtemberg.

Informations complémentaires :

CAG: aspects liés à l’exploitation (VSA)

Charbon actif en poudre

Dans l’application employant du CAP, du charbon actif en poudre est ajouté dans le processus d’épuration. Le charbon actif pulvérulent peut être utilisé de trois manières différentes.

Le procédé techniquement le plus simple, mais consommant le plus de CAP, est le dosage direct dans la phase biologique. Un filtre est également nécessaire en aval en plus du dispositif de dosage pour garantir le maintien du CAP.

Le dosage peut également intervenir directement en amont du filtre. Le dosage en amont du filtre nécessite moins de CAP, mais il nécessite un bassin de contact.
Le procédé le plus onéreux du point de vue des constructions est celui qui consiste à doser le CPA dans une phase séparée. Ce procédé est également appelé « procédé d’Ulm ». C’est celui qui nécessite le moins de CAP, mais il exige un bassin de contact, un bassin de sédimentation et un filtre aval.
Le dosage du CAP en amont du filtre et une phase séparée d’adsorption sont des procédés avals qui interviennent après le décantage secondaire. Le dosage simultané dans la phase biologique intervient quant à lui dans le processus d’épuration existant.

Le procédé d’Ulm est celui qui a été construit le plus souvent jusqu’à présent, pourtant il est également réalisé dans les deux autres possibilités et en service dans différentes stations d’épuration.

(1) dosage simultané dans la phase biologique
(2) dosage du CAP en aval du filtre
(3) dosage dans une phase séparée d'adsorption – procédé d'Ulm

Le mécanisme d'oxydation

Les procédés oxydatifs modifient chimiquement les substances dissoutes par l’ajout de différents agents d’oxydation qui les oxydent partiellement, ce qui engendre des produits inoffensifs ou moins nocifs. En règle générale, aucune minéralisation complète n’est atteinte.

L’oxydation peut être obtenue par exemple par ajout d’ozone (O3). Outre la réaction directe entre l’ozone et les substances contenues dans l’eau, l’ozone a aussi une action indirecte en provoquant une décomposition en radicaux hydroxyles, lesquels oxydent eux aussi les substances dissoutes.

Cette oxydation partielle fait perdre aux micropolluants leur effet initial et ils sont généralement scindés en molécules plus petites appelées produits d’oxydation. L’oxydation engendre également certains produits de transformation indésirables pouvant avoir un effet nocif plus important que les substances de départ.

L’emploi d’ozone exige en aval une biodégradation des produits d’oxydation qui ont été engendrés. Le posttraitement peut par exemple consister en un filtre volumétrique rempli de sable.

Des procédés d’oxydation avancés (POA) appelés en anglais Advanced Oxidation Processes sont employés en plus de l’ozone. Les radicaux hydroxyles qui apparaissent dans ce cadre oxydent davantage les micropolluants. Les POA possibles sont les procédés ozone/UV, peroxyde d’hydrogène/UV et photo-Fenton. Dans le cadre du projet CoMinGreat, l’emploi du procédé photo-Fenton en combinaison avec un lit filtrant a été expérimenté dans une installation pilote.

Ozonation

Avec le procédé d’ozonation, l’oxydation est obtenue par ajout d’ozone (O3) dans les eaux usées. Les principaux procédés sont le contact entre les eaux usées et l’ozone, le posttraitement et la destruction de l’ozone résiduel.

L’ozone, très instable, doit être produit sur place à partir d’oxygène (oxygène de l’air ou oxygène pur) et employé immédiatement. L’ozone est injecté dans les eaux usées par des diffuseurs ou des mélangeurs. La durée de contact doit être suffisamment longue pour que le mélange et la réaction puissent se dérouler.

L’ozone est un gaz irritant à fort pouvoir oxydant, raison pour laquelle l’ozone excédentaire présent dans les gaz rejetés doit être détruit.

L’ozonation, posttraitement compris pour l’élimination complémentaire des micropolluants, est implantée après le décantage secondaire. L’ozone réagit avec les composants organiques (p. ex. DCO, COD) et inorganiques (p. ex. nitrite) des eaux usées. Étant donné que l’ozone et les radicaux hydroxyles qui ont été générés réagissent de manière non sélective avec les eaux usées, il faut autant que possible réduire largement les composants oxydables des eaux usées comme l’azote et le carbone dans la phase de traitement biologique de la station d’épuration.

AOP: Photo-Fenton

Le procédé photo-Fenton fait partie des procédés d’oxydation avancée (POA) pour l’oxydation des micropolluants.

On ajoute aux eaux usées du peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent d’oxydation, du fer en tant que catalyseur ainsi qu’un agent complexant. Un traitement par lumière UV est également appliqué pour obtenir des radicaux hydroxyles à partir du peroxyde d’hydrogène.

Les radicaux hydroxyles ainsi engendrés et le peroxyde d’hydrogène oxydent les micropolluants afin que ceux-ci puissent être éliminés dans le post-traitement.

Le procédé photo-Fenton n’est pas réalisé actuellement à grande échelle dans une station d’épuration.

Dans le projet CoMinGreat, le procédé photo-Fenton a été examiné en combinaison avec des filtres plantés avals dans le cadre d’une installation pilote.

D’autres processus d’oxydation avancée sont actuellement examinés par la recherche.

Mécanismes des procédés quasi naturels

Parmi les procédés quasi naturels, les filtres plantés notamment conviennent pour l’élimination ciblée de micropolluants. Ces filtres plantés sont utilisés depuis plusieurs décennies (en tant que stations de lagunage) comme alternative efficace et économique aux procédés classiques de traitement des eaux usées urbaines, surtout pour la décomposition des liaisons carbone (DBO et DCO), ainsi que pour l’élimination de l’azote et du phosphore. Par ailleurs, les filtres plantés sont aussi utilisés pour l’épuration complémentaire des eaux mixtes en aval des installations de décharge des eaux pluviales. Les filtres plantés sont habituellement composés d’un lit de matériau sableux grossier planté de roseaux ou de plantes de marais. Les eaux usées arrivent en surface et traversent le lit dans le sens vertical ou horizontal pour le quitter pratiquement exemptes de matières solides. Les processus d’épuration très complexes sont l’action conjuguée de processus divers comme l’adsorption, la dégradation bactérienne, la photodégradation (décomposition sous l’effet de la lumière ultraviolette), la phytodégradation (absorption ou dégradation par des plantes) de même que des processus enzymatiques.

Depuis quelques années, les filtres plantés comprennent le plus souvent des substrats spéciaux comme adjuvants pour la décomposition ciblée des micropolluants. Une approche intéressante de l’utilisation de filtres plantés comprenant de tels substrats spéciaux est réalisée dans le cadre d’un projet soutenu par la « Deutsche Bundesstiftung Umwelt » dans lequel du charbon végétal est mélangé au substrat du filtre planté. Les résultats concernant l’élimination complémentaire de produits pharmaceutiques étaient très bons.

Filtre planté

Les filtres plantés sont surtout utilisés actuellement comme lits filtrants de rétention pour le traitement complémentaire des eaux mixtes. Différentes études ont cependant montré que les micropolluants étaient eux aussi retenus. Le filtre planté est une alternative aux procédés techniques particulièrement pour les petites stations d’épuration en zone rurale en raison de ses faibles coûts de fonctionnement.

Si le filtre planté doit retenir des micropolluants, différents adjuvants doivent être ajoutés à la couche filtrante comme du CAG (charbon actif granulé), des zéolithes ou du biocharbon activé. La couche filtrante est composée essentiellement de sable de filtration.

Dans le cadre du projet CoMinGreat, les plantes utilisées pour la végétalisation sont des roseaux et des iris de marais. Le substrat filtrant est composé de sable et de biocharbon activé.

L’eau usée à traiter est amenée par intermittence avec des pauses de plusieurs heures. Pendant les pauses, de l’air et donc de l’oxygène peut entrer à l’intérieur du filtre planté, si bien que des processus aérobies comme la nitrification ou la décomposition hétérotrophe des liaisons carbonées peuvent également se dérouler.

Les eaux usées traversent verticalement le filtre planté.

Combinaison entre ozonation et charbon actif granulé (CAG)

Les installations d’ozonation pour l’élimination des micropolluants sont suivies généralement par des filtres volumiques remplis d’anthracite et/ou de sable. Pour tirer avantage de manière optimale des processus d’oxydation et d’adsorption, l’ozonation peut aussi être suivie d’un filtre volumétrique avec du CAG. Ainsi, un dosage plus réduit de l’ozone permet de prévenir de manière ciblée la formation de bromate. Les substances qui peuvent mal ou pas du tout être éliminées par ozonation sont ensuite liées par adsorption sur le CAG. Étant donné que l’ozonation a déjà permis d’éliminer une grande partie des micropolluants, le CAG peut rester nettement plus longtemps en service dans le filtre volumique.

La combinaison des deux procédés est réalisée à ce jour dans quelques installations seulement. Une telle installation combinée est cependant à l’étude pour de nombreuses stations d’épuration.

Combinaison du procédé photo-Fenton avec un filtre planté

À l’instar de l’ozonation, le procédé photo-Fenton nécessite lui aussi un posttraitement. Ce posttraitement peut aussi être un procédé quasi naturel comme le filtre planté.

Adsorption mécanique

Les différents procédés d’adsorption se basent sur un processus d’équilibrage dans lequel les substances dissoutes dans l’eau s’accumulent à la surface d’un agent d’adsorption jusqu’à ce qu’un état d’équilibre soit atteint.

Les substances à éliminer sont appelées adsorbat et l’agent d’adsorption est appelé adsorbant. 

Il y a désorption quand l’adsorbat se détache à nouveau de l’adsorbant. 

L’adsorbant utilisé pour l’épuration des eaux usées urbaines est du charbon actif. Le charbon actif chargé de polluants doit ensuite être extrait du système. La mise en pratique se déroule soit par le dosage du charbon actif en poudre (CAP), qui est extrait avec les boues, soit par filtration sur lit fixe avec du charbon actif en granulés (CAG), qui doit être échangé régulièrement.

L’adsorption sur charbon actif est fonction de la charge du charbon actif à ce moment et de la concentration des micropolluants dans les eaux usées. Plus la concentration résiduelle visée est faible, plus la charge du charbon actif est faible et plus le volume de charbon actif nécessaire est important.

Différentes matières premières comme le charbon, la tourbe ou le bois peuvent être utilisées pour la fabrication du charbon actif. Les étapes de production consistent essentiellement en une cokéfaction, c’est-à-dire une pyrolyse, et une activation thermique. On obtient ainsi une matière avec une surface intérieure relativement importante.

Charbon actif granulé

Le charbon actif granulé est employé dans un filtre volumique rempli de CAG ou d’adsorbant que les eaux usées à traiter doivent traverser. Ces filtres peuvent être réalisés sous la forme de filtres sous pression fermés ou de filtres ouverts, fonctionnant de manière continue ou discontinue.

Le CAG reste dans le filtre jusqu’à ce que la capacité de charge du charbon actif soit épuisée. L’utilisation de charbon actif granulé dans les lits fixes de filtration autorise une réactivation thermique du charbon actif chargé de polluants. Comme un filtre volumétrique normal, le filtre à CAG est rétrolavé à intervalles réguliers. Le procédé est cependant exploité avec une vitesse de filtration plus lente.

Comme les autres procédés, les filtres à CAG suivent la décantation secondaire et sont déjà en service dans des stations d’épuration de Rhénanie-du-Nord-Westphalie et du Bade-Wurtemberg.

Informations complémentaires :

CAG: aspects liés à l’exploitation (VSA)

Charbon actif en poudre

Dans l’application employant du CAP, du charbon actif en poudre est ajouté dans le processus d’épuration. Le charbon actif pulvérulent peut être utilisé de trois manières différentes.

Le procédé techniquement le plus simple, mais consommant le plus de CAP, est le dosage direct dans la phase biologique. Un filtre est également nécessaire en aval en plus du dispositif de dosage pour garantir le maintien du CAP.

Le dosage peut également intervenir directement en amont du filtre. Le dosage en amont du filtre nécessite moins de CAP, mais il nécessite un bassin de contact.
Le procédé le plus onéreux du point de vue des constructions est celui qui consiste à doser le CPA dans une phase séparée. Ce procédé est également appelé « procédé d’Ulm ». C’est celui qui nécessite le moins de CAP, mais il exige un bassin de contact, un bassin de sédimentation et un filtre aval.
Le dosage du CAP en amont du filtre et une phase séparée d’adsorption sont des procédés avals qui interviennent après le décantage secondaire. Le dosage simultané dans la phase biologique intervient quant à lui dans le processus d’épuration existant.

Le procédé d’Ulm est celui qui a été construit le plus souvent jusqu’à présent, pourtant il est également réalisé dans les deux autres possibilités et en service dans différentes stations d’épuration.

(1) dosage simultané dans la phase biologique
(2) dosage du CAP en aval du filtre
(3) dosage dans une phase séparée d'adsorption – procédé d'Ulm

Le mécanisme d'oxydation

Les procédés oxydatifs modifient chimiquement les substances dissoutes par l’ajout de différents agents d’oxydation qui les oxydent partiellement, ce qui engendre des produits inoffensifs ou moins nocifs. En règle générale, aucune minéralisation complète n’est atteinte.

L’oxydation peut être obtenue par exemple par ajout d’ozone (O3). Outre la réaction directe entre l’ozone et les substances contenues dans l’eau, l’ozone a aussi une action indirecte en provoquant une décomposition en radicaux hydroxyles, lesquels oxydent eux aussi les substances dissoutes.

Cette oxydation partielle fait perdre aux micropolluants leur effet initial et ils sont généralement scindés en molécules plus petites appelées produits d’oxydation. L’oxydation engendre également certains produits de transformation indésirables pouvant avoir un effet nocif plus important que les substances de départ.

L’emploi d’ozone exige en aval une biodégradation des produits d’oxydation qui ont été engendrés. Le posttraitement peut par exemple consister en un filtre volumétrique rempli de sable.

Des procédés d’oxydation avancés (POA) appelés en anglais Advanced Oxidation Processes sont employés en plus de l’ozone. Les radicaux hydroxyles qui apparaissent dans ce cadre oxydent davantage les micropolluants. Les POA possibles sont les procédés ozone/UV, peroxyde d’hydrogène/UV et photo-Fenton. Dans le cadre du projet CoMinGreat, l’emploi du procédé photo-Fenton en combinaison avec un lit filtrant a été expérimenté dans une installation pilote.

Ozonation

Avec le procédé d’ozonation, l’oxydation est obtenue par ajout d’ozone (O3) dans les eaux usées. Les principaux procédés sont le contact entre les eaux usées et l’ozone, le posttraitement et la destruction de l’ozone résiduel.

L’ozone, très instable, doit être produit sur place à partir d’oxygène (oxygène de l’air ou oxygène pur) et employé immédiatement. L’ozone est injecté dans les eaux usées par des diffuseurs ou des mélangeurs. La durée de contact doit être suffisamment longue pour que le mélange et la réaction puissent se dérouler.

L’ozone est un gaz irritant à fort pouvoir oxydant, raison pour laquelle l’ozone excédentaire présent dans les gaz rejetés doit être détruit.

L’ozonation, posttraitement compris pour l’élimination complémentaire des micropolluants, est implantée après le décantage secondaire. L’ozone réagit avec les composants organiques (p. ex. DCO, COD) et inorganiques (p. ex. nitrite) des eaux usées. Étant donné que l’ozone et les radicaux hydroxyles qui ont été générés réagissent de manière non sélective avec les eaux usées, il faut autant que possible réduire largement les composants oxydables des eaux usées comme l’azote et le carbone dans la phase de traitement biologique de la station d’épuration.

AOP: Photo-Fenton

Le procédé photo-Fenton fait partie des procédés d’oxydation avancée (POA) pour l’oxydation des micropolluants.

On ajoute aux eaux usées du peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent d’oxydation, du fer en tant que catalyseur ainsi qu’un agent complexant. Un traitement par lumière UV est également appliqué pour obtenir des radicaux hydroxyles à partir du peroxyde d’hydrogène.

Les radicaux hydroxyles ainsi engendrés et le peroxyde d’hydrogène oxydent les micropolluants afin que ceux-ci puissent être éliminés dans le post-traitement.

Le procédé photo-Fenton n’est pas réalisé actuellement à grande échelle dans une station d’épuration.

Dans le projet CoMinGreat, le procédé photo-Fenton a été examiné en combinaison avec des filtres plantés avals dans le cadre d’une installation pilote.

D’autres processus d’oxydation avancée sont actuellement examinés par la recherche.

Mécanismes des procédés quasi naturels

Parmi les procédés quasi naturels, les filtres plantés notamment conviennent pour l’élimination ciblée de micropolluants. Ces filtres plantés sont utilisés depuis plusieurs décennies (en tant que stations de lagunage) comme alternative efficace et économique aux procédés classiques de traitement des eaux usées urbaines, surtout pour la décomposition des liaisons carbone (DBO et DCO), ainsi que pour l’élimination de l’azote et du phosphore. Par ailleurs, les filtres plantés sont aussi utilisés pour l’épuration complémentaire des eaux mixtes en aval des installations de décharge des eaux pluviales. Les filtres plantés sont habituellement composés d’un lit de matériau sableux grossier planté de roseaux ou de plantes de marais. Les eaux usées arrivent en surface et traversent le lit dans le sens vertical ou horizontal pour le quitter pratiquement exemptes de matières solides. Les processus d’épuration très complexes sont l’action conjuguée de processus divers comme l’adsorption, la dégradation bactérienne, la photodégradation (décomposition sous l’effet de la lumière ultraviolette), la phytodégradation (absorption ou dégradation par des plantes) de même que des processus enzymatiques.

Depuis quelques années, les filtres plantés comprennent le plus souvent des substrats spéciaux comme adjuvants pour la décomposition ciblée des micropolluants. Une approche intéressante de l’utilisation de filtres plantés comprenant de tels substrats spéciaux est réalisée dans le cadre d’un projet soutenu par la « Deutsche Bundesstiftung Umwelt » dans lequel du charbon végétal est mélangé au substrat du filtre planté. Les résultats concernant l’élimination complémentaire de produits pharmaceutiques étaient très bons.

Filtre planté

Les filtres plantés sont surtout utilisés actuellement comme lits filtrants de rétention pour le traitement complémentaire des eaux mixtes. Différentes études ont cependant montré que les micropolluants étaient eux aussi retenus. Le filtre planté est une alternative aux procédés techniques particulièrement pour les petites stations d’épuration en zone rurale en raison de ses faibles coûts de fonctionnement.

Si le filtre planté doit retenir des micropolluants, différents adjuvants doivent être ajoutés à la couche filtrante comme du CAG (charbon actif granulé), des zéolithes ou du biocharbon activé. La couche filtrante est composée essentiellement de sable de filtration.

Dans le cadre du projet CoMinGreat, les plantes utilisées pour la végétalisation sont des roseaux et des iris de marais. Le substrat filtrant est composé de sable et de biocharbon activé.

L’eau usée à traiter est amenée par intermittence avec des pauses de plusieurs heures. Pendant les pauses, de l’air et donc de l’oxygène peut entrer à l’intérieur du filtre planté, si bien que des processus aérobies comme la nitrification ou la décomposition hétérotrophe des liaisons carbonées peuvent également se dérouler.

Les eaux usées traversent verticalement le filtre planté.

Combinaison entre ozonation et charbon actif granulé (CAG)

Les installations d’ozonation pour l’élimination des micropolluants sont suivies généralement par des filtres volumiques remplis d’anthracite et/ou de sable. Pour tirer avantage de manière optimale des processus d’oxydation et d’adsorption, l’ozonation peut aussi être suivie d’un filtre volumétrique avec du CAG. Ainsi, un dosage plus réduit de l’ozone permet de prévenir de manière ciblée la formation de bromate. Les substances qui peuvent mal ou pas du tout être éliminées par ozonation sont ensuite liées par adsorption sur le CAG. Étant donné que l’ozonation a déjà permis d’éliminer une grande partie des micropolluants, le CAG peut rester nettement plus longtemps en service dans le filtre volumique.

La combinaison des deux procédés est réalisée à ce jour dans quelques installations seulement. Une telle installation combinée est cependant à l’étude pour de nombreuses stations d’épuration.

Combinaison du procédé photo-Fenton avec un filtre planté

À l’instar de l’ozonation, le procédé photo-Fenton nécessite lui aussi un posttraitement. Ce posttraitement peut aussi être un procédé quasi naturel comme le filtre planté.