Dans de nombreuses régions du monde, la réutilisation des eaux usées devient de plus en plus une des composantes essentielles du cycle de l'eau en devenant une partie intégrante des ressources en eau. Reconnue dès 1992 par diverses institutions internationales comme un des schémas à mettre en ?uvre dans le cadre d'une politique de développement durable, la réutilisation des eaux usées connaît depuis une vive expansion parce qu'elle assure une ressource alternative durable en eau. Les premières conséquences des gaz à effet de serre comme l'adoucissement du climat, conduisent à observer dans diverses régions du globe, une diminution des ressources en eau suffisamment préoccupante pour que les gestionnaires se tournent déjà vers cette ressource alternative. Veolia Water s'est impliquée depuis de nombreuses années à apporter son aide dans la mise en ?uvre d'une politique de développement durable, et à mobiliser ses chercheurs et techniciens afin qu'ils développent des technologies de pointe et apportent leur savoir faire au service de l'eau et de sa réutilisation. L?objectif de cet article est de présenter quelques exemples d'application de la réutilisation des eaux usées basées sur les nombreuses références de Veolia Water et les divers aspects positifs qui en sont retirés aussi bien au niveau des municipalités qu'au niveau des industriels.
Reconnue dès 1992 par diverses institutions internationales comme un des schémas à mettre en œuvre dans le cadre d'une politique de développement durable, la réutilisation est en expansion parce qu’elle assure une ressource alternative durable en eau. Les premières conséquences des gaz à effet de serre comme l’adoucissement du climat conduisent à observer dans diverses régions du globe une diminution des ressources en eau suffisamment préoccupante pour que les gestionnaires se tournent déjà vers cette ressource alternative. La figure 1 illustre la situation en matière de restriction en eau, observée en France ces trois dernières années.
Veolia Water s'est impliquée depuis de nombreuses années à apporter son aide dans la mise en œuvre d’une politique de développement durable, et à mobiliser ses chercheurs et techniciens afin qu’ils développent des technologies de pointe et apportent leur savoir-faire au service de l'eau et de sa réutilisation.
L’objectif de cet article est de présenter quelques exemples d’application de la réutilisation des eaux usées basées sur les nombreuses références de Veolia Water et les divers aspects positifs qui en sont retirés aussi bien au niveau des municipalités qu’au niveau des industriels.
En France, l'irrigation en agriculture reste le domaine de son utilisation privilégiée et les recommandations du Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France (Circulaire n° 51 du 22 juillet 1991 et du 3 août 1992 du ministère chargé de la Santé) ainsi que le décret n° 94-469 du 3 juin 1994 (article 24) fondent le statut réglementaire de la réutilisation des eaux usées urbaines (REU) concernent essentiellement l'utilisation, après épuration, des eaux résiduaires pour l'irrigation des cultures et des espaces verts. Trois classes de qualité d'eau, A, B et C, de qualité sanitaire croissante, correspondants à des usages en fonction de la qualité des eaux sont définies.
Cette réglementation est en cours de révision et des contraintes bactériologiques supplémentaires devraient être demandées en fonction des applications faites par l'usager. Toutefois, cette tendance est déjà appliquée en France, par diverses DDASS qui recommandent aux maîtres d’ouvrage que soient inclus dans les cahiers de charge, des limites de garantie bactériologique (souvent proches de zéro) concernant les virus, sal-
Tableau 1 : réglementation française actuelle en matière de réutilisation des eaux usées
| Coliformes thermotolérants | < 10 000/L |
| Œufs d'helminthes intestinaux (ténia, ascaris) | < 1/L |
| Pas de limite bactériologique |
À l’étranger, les applications de la réutilisation des eaux usées sont plus larges car elles concernent aussi bien l’agriculture que la recharge de nappes, les terrains et zones de loisirs, l’eau de process industrielle, les diverses utilisations urbaines (toilettes, arrosage et nettoyage de chaussées, etc.), ainsi que la fabrication d’eau potable.
Afin de répondre à ces exigences, Veolia Eau propose des solutions techniques adaptées qui tiennent compte des qualités finales de l’eau traitée. Ces solutions techniques se classent en deux catégories :
- les solutions conventionnelles ;
- les solutions membranaires.
Quels objectifs pour les solutions conventionnelles ?
Les traitements physiques conventionnels faisant appel à une filtration suivie d’une désinfection sont proposés lorsque l’eau finale est destinée à l’irrigation. La première étape de filtration élimine une grande partie des matières en suspension permettant alors d’assurer, lors d’une seconde étape, la désinfection dans des conditions plus favorables. Les techniques de filtration proposées par Veolia Water sont de type filtration mécanique ou filtration au sein d’un média. Elles sont souvent associées à une étape de désinfection (UV, chlore ou dérivés).
Le tableau 2 présente les résultats obtenus du traitement tertiaire des eaux usées de la station d’épuration de Barcelone (Espagne) en vue de leur réutilisation en agriculture notamment.
Lorsque les filtres Hydrotech sont utilisés directement en aval d’un décanteur secondaire puis suivis d’une désinfection UV, comme par exemple sur la station d’épuration de Draguignan (France), les résultats en …
Tableau 2 : Performances d’un traitement tertiaire (Actiflo – filtre Hydrotech)
La filtration mécanique
La filtration mécanique est une filtration de l’eau à travers des disques (filtres Hydrotech) dont le seuil de coupure peut être de 10 µm ou 18 µm, appliqué selon la qualité de l’eau d’entrée et les performances demandées.
Plus de 150 références existent pour cette application.
Les rendements d’élimination des MES se situent entre 50 % et 75 %. Ils sont installés directement en aval de l’eau clarifiée de la station d’épuration ou derrière un traitement tertiaire physico-chimique (décanteur lamellaire de type Multiflo ou Actiflo).
| Turbidité [NTU] |
| MES [mg/L] |
| Phosphore T [mg P/L] |
| DCO [mg O₂/L] |
| DBO₅ [mg O₂/L] |
| Coliformes totaux [u/100 mL] |
Tableau 3 : Performances du traitement tertiaire sur la station de l’Hermitage
| Streptocoques [u/100 mL] |
| Salmonelles [u/100 mL] |
| Entérovirus [u/100 mL] |
| Œufs d’helminthes [u/L] |
Sur la station de Draguignan (France), les résultats en coliformes thermotolérants et en entérocoques de l’eau traitée (figure 3) sont conformes à ceux qui ont été garantis (100 /100 mL).
On observe que les valeurs en coliformes se situent pour la plupart entre 4 et 30 /100 mL alors que les analyses des entérocoques indiquent des valeurs nulles.
La filtration dans la masse
La filtration dans la masse est réalisée soit à travers un matériau de type schiste, sable ou pierre ponce, soit à travers une masse de fibres en polyamide selon un nouveau procédé de Veolia Water.
La filtration sur sable permet d’obtenir une concentration finale en MES inférieure à 5 mg/L, une élimination des œufs d’Helminthes et des performances accrues en matière de désinfection disposée en aval de cette première étape. Les résultats sont décrits dans le tableau 3.
La filtration sur fibres de polyamide (procédé 3 FM, Veolia) est assimilable dans son principe à un filtre sur sable. Le seuil de coupure se situe entre 10-25 µm. Le corps du filtre est un cylindre vertical en inox rempli de fibres maintenues verticalement dans l’axe du cylindre. L’alimentation en eau à traiter se fait latéralement en partie basse, via une couronne de distribution. L’effluent passe à travers le milieu filtrant constitué de fibres de polyamide. Les matières en suspension présentes dans l’eau d’alimentation sont retenues au sein de la masse filtrante. L’effluent traité est repris au niveau d’un fût central puis rejeté en partie haute du filtre. La filtration est plutôt horizontale même si une circulation ascendante de l’eau existe. Les vitesses de circulation ascendante au sein du filtre sont de l’ordre de 100 m/h.
Lorsque la masse filtrante est colmatée, un lavage est alors réalisé à l’air comprimé (2,5 bars) injecté en dessous du filtre, provoquant ainsi une extension du matériau et un décrochage des MES accumulées. Les eaux sales, chargées en MES, sont récupérées au sommet du filtre.
Les résultats obtenus (figure 6) montrent que l’eau filtrée présente des concentrations en MES inférieures à 5 mg/L pour une concentration en MES d’entrée variable entre 15-30 mg/L.
Quels objectifs pour les filières membranaires ?
Les solutions techniques filtration-désinfection peuvent s’avérer toutefois insuffisantes en matière de qualité finale de l'eau traitée lorsqu’il s’agit de produire de l'eau pour la protection de zones de loisirs ou pour alimenter des chaînes de fabrication industrielles, recharger une nappe aquifère, ou encore fabriquer de l'eau potable pour certains pays où le déficit en eau est dramatique.
De ce fait, on fait appel alors aux procédés membranaires qui suscitent ces dernières années un vif intérêt parce qu’ils permettent de répondre à des exigences de qualité très sévères.
Aux USA par exemple, la réglementation exige qu’après un traitement secondaire de l’eau usée, doivent être proposés un traitement tertiaire et un traitement avancé afin de satisfaire aux conditions sévères de la qualité finale de l'eau. À ce titre, la filtration membranaire par osmose inverse s'est révélée être une technologie de choix pour l’élimination d'un certain nombre de substances minérales et organiques dissoutes.
La filière membranaire peut être constituée :
- d'un seul traitement membranaire : la membrane est incorporée dans le bassin de boues activées ou utilisée en traitement tertiaire ;
- d'un double traitement membranaire par microfiltration (ou ultrafiltration) – osmose inverse.
Le choix de la solution la plus adaptée est toujours effectué au cas par cas en fonction de divers paramètres comme notamment la qualité de l’eau brute, la qualité de l'eau finale, l'utilisation d’étapes ou d'ouvrages déjà existants etc.
les membranes en “premier étage” : le procédé Biosep®
Le procédé consiste en un couplage d’un bassin de boues activées dans lequel les membranes sont immergées au sein même de la biomasse. L’eau traitée est alors extraite par une pompe en dépression sous une pression transmembranaire inférieure à 1 bar.
Les membranes ont le gros avantage d'effacer tous les problèmes de variabilité d'efficacité en fonction des espèces microbiologiques cibles et des possibles reviviscences. Les membranes d'ultrafiltration avec un seuil de coupure de 0,01 µm assurent l’élimination importante (5 – 6 log) des bactéries, des kystes et des virus, à condition que leur intégrité soit en permanence vérifiée.
Les membranes placées en premier étage remplacent en même temps le décanteur secondaire et la filtration tertiaire. Elles sont directement liées et associées à la boue activée, et assurent la qualité de l'eau traitée à travers les mécanismes de filtrabilité et de perméabilité.
Le procédé Biosep® (Veolia eau) qui intègre aussi bien des membranes sous forme de fibres que des membranes planes démontre depuis plus d’une quinzaine d’années les avantages des traitements membranaires en “premier étage” mais également les dispositions particulières à prendre afin de maintenir une qualité d’eau traitée constante. On sait en effet que les membranes immergées sous formes de fibres disposent d'un test d'intégrité qui permet de suivre la qualité bactériologique de l'eau traitée. Notre expérience montre que malgré tous nos efforts pour s'assurer de la fiabilité du système, la garantie d’un “zéro bactériologie” n’est pas possible et une désinfection complémentaire (UV, chlore ou dérivés) est recommandée lorsqu’on souhaite des niveaux bactériologiques très bas. Les membranes immergées planes ne disposent pas de test d'intégrité et la désinfection complémentaire est
Tableau 4 : Qualité bactériologique de l’eau traitée par le procédé Biosep®
| Paramètre | Abattement moyen | Nombre de mesures |
|---|---|---|
| Coliformes totaux | 6,3 log | 12 |
| Coliformes thermotolérants | 6,3 log | 13 |
| Streptocoques fécaux du groupe D | 6,0 log | 10 |
| Bactériophages ARN F spécifiques | 3,8 log | 2 |
indispensable et même plus élaborée qu’avec les membranes fibres.
De plus, du fait de la rétention de l’essentiel des MES et des mécanismes d’adsorption de la matière organique, les procédés membranaires permettent de garantir une DCO résiduelle inférieure à 40 mg/L ainsi qu’une DBO5 inférieure à 5 mg/L. En termes de MES dans l’eau filtrée, des valeurs inférieures à 1 mg/L sont obtenues lorsque les conditions physiques de la membrane sont optimales. Veolia a construit (ou est en cours de construction) en France plus de vingt-cinq stations incluant le procédé Biosep®.
Les membranes placées en aval du décanteur secondaire, c’est-à-dire en traitement tertiaire, offrent une solution alternative aux membranes directement couplées avec les boues activées. Ces membranes peuvent être de type immergées ou sous pression (module tubulaire). Elles sont alimentées par l’effluent clarifié (moins chargé que la solution de boues activées) et conduisent à des performances très intéressantes. À ce niveau de traitement, les tests d’intégrité sont plus aisés à réaliser et beaucoup plus fiables. Ce système est particulièrement recommandé lors de la réhabilitation de stations existantes en vue de procéder à une des applications de la réutilisation des eaux usées.
On assure ainsi un abattement bactérien de 6 log. Le schéma de la filière est alors le suivant :
La double barrière membranaire
La filière « Tout membrane » est basée sur une combinaison d’une étape de microfiltration ou d’ultrafiltration suivie d’une seconde étape d’osmose inverse, qui permet, à chacune de ces étapes, une élimination des éléments chimiques et microbiologiques.
L’exemple de l’usine de Kranji (Singapour) est une des références mondiales actuelles car l’eau produite est utilisée comme ressource d’appoint pour la consommation humaine et alimente également le secteur industriel de la microélectronique.
L’usine de Kranji (52 000 m³/j) fait suite aux résultats acquis sur un prototype de 10 000 m³/j construit et testé par Veolia Water sur le site de Bedok (Singapour).
Ce prototype était destiné à prouver la faisabilité d’une technologie membranaire en vue de produire une eau potable à partir d’un effluent secondaire. Une filière incluant une microfiltration suivie d’une étape d’osmose inverse et d’une désinfection UV a été proposée. Cette étude NEWater s’est appuyée sur un programme analytique de micropolluants organiques et minéraux basé sur les standards US, sur les normes nationales de Singapour ainsi que les recommandations de l’O.M.S.
Un panel d’experts internationaux, désigné dès 1999 par les autorités de Singapour, a suivi les résultats du prototype et a validé en juin 2002 la filière proposée.
La composition physico-chimique de l’effluent secondaire de la station d’épuration existante est décrite dans le tableau 5.
Tableau 5 : Composition de l’effluent secondaire (usine de Kranji)
| Paramètres | concentration |
|---|---|
| BOD5, mg/L | 10-15 |
| DCO, mg/L | 20-50 |
| MES, mg/L | 10-20 |
| COT, mg/L | 12-15 |
La filière de traitement comprend un dégrillage (0,3 mm) suivi d’une microfiltration à 0,2 µm afin d’éliminer la pollution particulaire (chimique et microbiologique). Elle comprend ensuite une étape d’osmose inverse suivie finalement par une désinfection par UV. Une chloramination est
Tableau 6 : Performances contractuelles et performances obtenues au cours des deux étapes membranaires
| Paramètre | Spécifications (cahier des charges) | Valeurs actuelles |
|---|---|---|
| COT, % élimination | > 97 | > 99 |
| Turbidité (sortie MF), NTU | ≤ 0,1 | ≤ 0,1 |
| NH₃, % élimination | > 90 | > 94 |
| Solides dissous, % élimination | > 97 | > 97 |
Tableau 7 : Double filtration membranaire – Qualité d’eau en sortie de l’usine de Kranji
| Paramètres | Valeurs obtenues | Valeurs cahier de charges |
|---|---|---|
| Température °C | 26,4 – 30,9 | — |
| Fer, mg/l | < 0,05 | < 0,05 |
| Ammoniac (N), mg/l | < 0,5 | < 0,5 |
| Nitrate (N), mg/l | 0,02 – 0,5 | < 1,0 |
| Manganèse, mg/l | < 0,05 | < 0,05 |
| COT, mg/l | < 0,1 | < 0,2 |
| Solides dissous, mg/l | 11 – 11,8 | — |
| Aluminium, mg/l | < 0,12 | < 0,2 |
| Turbidité finale, NTU | < 0,1 | — |
| pH final | 8 – 8,5 | 8 – 8,5 |
| Silice, mg/l | < 0,5 | — |
| Chlorures, mg/l | 2,5 – 4,7 | — |
| Sulfates, mg/l | 0,15 – 0,5 | — |
| Conductivité, µS/cm | 28 – 256 | — |
| Calcium, mg/l | < 0,5 | — |
| Magnésium, mg/l | < 0,45 | — |
| Bore, mg/l | < 0,1 | < 0,1 |
| Alcalinité, mg/l | 5 – 16 | — |
| Fluor, mg/l | < 0,5 | — |
| Coliformes bactériennes 35 °C (48 h/0,40) | < 5 | < 5 |
effectuée en amont de la MF et de l’OI afin de minimiser les risques de biofouling.
Les membranes de OI sont en matériau composite polyamide aromatique, en trois étages assurant un taux de conversion de 80 à 85 %. Les lampes UV moyenne pression assurent une dose de 600 J/m². Les taux de conversion de la microfiltration se situent entre 84 et 90 % avec une moyenne de 87 %. Les performances actuelles respectent le cahier des charges tant au niveau des taux de réjection qu’au niveau de la qualité d’eau produite. Veolia Water s’est d’ailleurs vu attribuer dernièrement par l’autorité nationale de l’eau à Singapour (Public Utilities Board) l’extension de l’usine de Kranji qui verrait sa capacité finale de traitement portée à 82 000 m³/j.
En matière de recharge de nappes ou de fabrication d’eau potable, les technologies membranaires associées selon des schémas microfiltration/ultrafiltration – osmose inverse ou traitement avancé – ultrafiltration, prennent un net ascendant car elles permettent de délivrer une eau de qualité physico-chimique et microbiologique en conformité avec les normes O.M.S. ou des normes locales qui s’inspirent très fortement des normes U.S. ou des normes européennes.
Tableau 8 : Quelques références de filière comprenant une double étape microfiltration-osmose inverse
| Ville | Débit (m³/j) | Origine eau brute | Année |
|---|---|---|---|
| Honolulu (Hawaï) | 29 300 | Effluent secondaire | 2000 |
| Illawara (Australie) | 23 500 | Effluent secondaire | 2004 |
| Bedok (Singapour) | 16 000 | Effluent secondaire | 2000 |
| Kranji (Singapour) | 52 000 | Effluent secondaire | 2002 |
| West Basin (USA) | 11 000 | Effluent secondaire | 1998 |
| West Basin (USA) | 54 000 | Effluent secondaire | 1999 |
| Scottsdale (USA) | 57 000 | Effluent secondaire | 1998 |
| Canaries | 7 000 | Effluent secondaire | 1996 |
| Sassol (Afrique du Sud) | 10 000 | Effluent secondaire | 2005 |
Ces filières de traitement sont très souvent confortées en amont par des essais pilote qui aident au choix de la filière la plus adéquate ainsi que des réactifs les mieux adaptés.
Le tableau 9 résume les performances des diverses solutions techniques destinées aux applications de la réutilisation des eaux usées.
Tableau 9 : Efficacité de la combinaison des différentes étapes vis-à-vis de la composition physico-chimique et microbiologique de l’effluent secondaire
| Composition de l’effluent secondaire | Filtration désinfection | Biosep désinfection | Microfiltration désinfection | Ultrafiltration désinfection | Double membrane MF-Osmose inverse désinfection |
|---|---|---|---|---|---|
| Turbidité | ++ | +++ | +++ | +++ | +++ |
| Matières en suspension | ++ | +++ | +++ | +++ | +++ |
| Matières organiques | + | +++ | ++ | ++ | +++ |
| Matières minérales | + | ++ | ++ | ++ | +++ |
| COT | + | ++ | ++ | ++ | +++ |
| Couleur | + | ++ | ++ | ++ | +++ |
| Conductivité | – | – | – | + | ++ |
| Bactéries | ++ | +++ | +++ | +++ | +++ |
| Virus | + | ++ | ++ | ++ | +++ |
| Parasites | + | ++ | ++ | ++ | +++ |
| Œufs helminthes | – | + | + | + | ++ |
Conclusion
Les divers exemples décrits dans cet article ainsi que la liste de références présentées ci-dessus montrent que la réutilisation des eaux usées est une réalité bien concrète dans de nombreuses régions du monde, et que Veolia Water contribue largement à faire bénéficier de son savoir-faire et de sa technologie.
