Remise à niveau des STEP: traiter le problème dans sa globalité

Il est très difficile de traiter correctement les eaux usées lorsqu’on doit faire face à des charges fluctuantes de pollution. Celles-ci apparaissent, notamment, pendant la période estivale, par temps de pluie, ou encore pendant les campagnes industrielles saisonnières. Ce problème s’amplifie sur les stations d’épuration construites dans les années 60-70. Celles-ci n’étaient généralement pas prévues pour traiter les eaux pluviales. Pour répondre aux exigences réglementaires et absorber le surplus de pollution qui arrive jusqu’à elles, ces unités de traitement doivent bien souvent être remises à niveau.

Cette opération implique de totalement repenser la filière pour absorber les surplus d’effluents. En tenant compte, bien sûr, des nouvelles contraintes réglementaires qu’implique l’obligation de traiter l’azote, le phosphore et les micro-organismes. Pour ceci, deux approches s’offrent à la collectivité : soit elle réhabilite son ancienne unité et la remet à niveau, soit elle construit une nouvelle usine.

Faire table rase du passé pourrait être la meilleure solution. Mais elle est coûteuse. De plus, dès que l’on se trouve en zone urbaine ou péri-urbaine, la place manque et le déplacement de l’unité de traitement vers un autre lieu n’est pas toujours simple.

Face à ces arguments, la réhabilitation du site et l’adoption d’équipements plus compacts peuvent être une solution. Cette approche autorise à traiter des volumes supérieurs tout en minimisant les nuisances. Le terrain et le réseau de collecte restent le même. Il s’agit d’adapter l’équipement pour doper ses capacités de traitement, ou de reconstruire la presque intégralité de la

filière. Chez OTV, Alain Rousse en est convaincu : “La réhabilitation continuera d'être un marché porteur.” De plus, l’arrivée des techniques membranaires permet d’améliorer le niveau de traitement sans pénaliser l'implantation au sol.

Alors, quelle solution retenir ? Avant de réaliser tout choix technologique, un bilan détaillé s'impose.

Un bilan détaillé s’impose

Un bilan détaillé de fonctionnement et une inspection en règle des équipements en place (y compris le génie civil) sont une nécessité préalable. “Avant de réhabiliter il faut vérifier que la station est en parfait état”, précise Pierre Gilles, chef du service filières direction technique d’OTV. En effet, une démarche de réhabilitation, donc une adaptation de l’existant, impose de partir d'un ouvrage sain. Le génie civil doit donc être en parfait état de fonctionnement, ce qui est rarement le cas après 30 ou 40 ans de service. S'il ne l’est pas, ce facteur peut se révéler être un frein à toute intervention. Avec comme conséquence, de poser le problème de la garantie de fonctionnement pour les travaux de mise à niveau.

Un autre objectif du bilan consiste à mettre en évidence l'importance de la surcharge à traiter. Il faut alors répondre à un certain nombre de questions. A-t-on à faire à une surcharge ponctuelle de l’ordre de quelques heures à quelques jours, voire quelques semaines ? Si oui, d’où provient-elle ? Des eaux pluviales ? D'une zone de vacances ? De l’industrie ?

Au-delà de quelques semaines, voire quelques jours, la surcharge ne peut plus être considérée comme ponctuelle. Pour Bruno Tisserand, spécialiste des eaux résiduaires à la direction technique de Générale des Eaux : “Il faut alors prendre en compte les conditions limitantes sur toutes les étapes du traitement, notamment sur la partie hydraulique, et la filière de traitement des boues”.

Pour les effluents industriels, il est important de réaliser un audit complémentaire. Bien mené, il permet de quantifier les flux et de réaliser une analyse du fonctionnement des traitements de dépollution déjà en place.

Ces informations permettent une orientation vers des techniques d’oxydation adaptées aux effluents spécifiques. Cet audit peut être complété par des tests de laboratoire visant à vérifier la faisabilité des technologies retenues par l’étude préalable.

Jusqu'à ces dernières années, l’intervention première consistait à améliorer l’aération des bassins.

Mieux aérer les bassins

Les bactéries présentes dans les bassins de boues activées se nourrissent de la pollution qu’elles transforment. Pour assurer correctement ce travail, la biomasse a besoin d'un milieu riche en oxygène. Dans les stations classiques, on se sert de l’oxygène de l’air pour l’aération du bassin biologique. L’oxygène est apporté par des systèmes d’aération : diffuseurs d’air, hydro-éjecteurs, turbines...

Cependant, l’air présente une faible teneur en oxygène. Il faut en injecter un volume très important pour atteindre les concentrations d’oxygène dissous nécessaires à un bon traitement. Et le rendement du système dépend de sa capacité d’oxygénation.

C'est le critère de base de tout aérateur (ou oxygénateur). Cette caractéristique est déterminée de la même façon dans pratiquement tous les pays. Elle représente donc une référence internationale. Il s'agit de mesurer le taux de réoxygénation de l'eau claire. Pour le réaliser, on remplit un bassin d’essai d'eau potable. Cette eau est préalablement à

L’essai saturé en oxygène à l’aide du système à tester. Une fois l’eau saturée, toutes les sondes de mesure sont étalonnées. Puis le taux d’oxygène dissous est ramené à zéro en mélangeant du sulfite de sodium et du chlorure de cobalt. Le bassin qui ne contient plus d’oxygène dissous est réoxygéné jusqu’à saturation à l’aide du matériel à tester. Un enregistrement point par point de la concentration en oxygène dissous est réalisé. Il permet de tracer la courbe d’oxygénation en fonction du temps. Le passage des valeurs d’essai en eau claire aux valeurs rapportées aux conditions nominales impose des corrections. Il faut tenir compte de la température de l’eau et de la pression absolue au point de mesure.

Lorsqu’on connaît la capacité d’oxygénation nominale, il est possible de définir les autres critères comme l’apport horaire, l’apport spécifique, le rendement d’oxygénation, le coefficient alpha, c’est-à-dire le coefficient d’équivalence eau pure/liqueur. Ce paramètre dépend de la nature de l’eau et en particulier de sa concentration en matières en suspension, graisses, tensio-actifs… À noter encore que le brassage joue un rôle important. Il favorise l’homogénéisation du milieu. Ces systèmes à l’air permettent une dissolution de l’ordre de 1,2 à 3 kg/kWh O₂.

L’air ne contenant que 21 % d’oxygène, il est possible d’optimiser l’échange en utilisant de l’oxygène pur. On améliore alors l’efficacité de son transfert.

Utiliser l’oxygène pour plus d’efficacité

« L’utilisation d’oxygène pur permet d’augmenter considérablement les quantités d’oxygène dissous dans l’eau par rapport aux procédés fonctionnant à l’air », explique Étienne Thomas, Responsable national développement environnement à l’Air Liquide. « La cinétique de dissolution est plus rapide qu’avec l’air, ce qui permet de gagner en souplesse d’utilisation et de mieux suivre les variations de charge en répondant rapidement aux besoins de la biomasse ». Aujourd’hui, deux grandes familles de technologies occupent ce marché. Il s’agit des injecteurs de type venturi et des diffuseurs à bulles. Tous les gaziers Air Liquide, Air Products, Dresser, Praxair, Messer… proposent une telle approche.

Par exemple, Praxair a développé le Système Mixflo™ qui emploie des injecteurs liquide-liquide de type venturi. Son efficacité de dissolution de l’oxygène est supérieure à 90 %, avec un taux de transfert allant jusqu’à 5 kg d’oxygène dissous/kWh. Les éjecteurs sont dimensionnés et positionnés pour optimiser le mélange liquide-oxygène. La boucle de contact de l’équipement augmente l’efficacité de la dissolution de l’oxygène. La capacité d’injection et la puissance s’adaptent à l’évolution des besoins. Sur cet équipement, la pompe d’alimentation peut être immergée ou placée à l’extérieur du bassin. Ce constructeur propose encore In-Situ Oxygenator™, appelé encore I-SO™, un système de dissolution d’oxygène basé sur le principe de l’injection de l’oxygène. Cet équipement permet d’atteindre des rendements de dissolution de plus de 90 % avec 10 kg d’oxygène dissous/kWh. L’I-SO™ fonctionne avec une turbine à pompage. L’oxygène est alimenté à faible pression au niveau de l’aspiration de la turbine située sous la calotte. Le cisaillement élevé de la turbine assure le transfert de la masse de l’oxygène. Les bulles d’oxygène non dissoutes se dégagent du courant d’eau dans le diamètre de la calotte et rejoignent l’aspiration de la turbine. Cette astuce minimise le volume total d’oxygène demandé.

Le choix entre l’un ou l’autre des systèmes se fait au regard des contraintes spécifiques de chaque station. « L’I-SO™ est facile à installer sur les bassins dont la profondeur est supérieure à 4 mètres. Il s’adapte à l’évolution des besoins », explique-t-on chez Praxair, « par exemple, pour augmenter la capacité de transfert en oxygène, il suffit de faire croître la vitesse de rotation de la turbine en changeant la boîte de vitesses ». Quant au Mixflo™, il s’adapte à tous types d’installations et de réservoirs, qu’ils soient carrés, rectangulaires, circulaires, annulaires, recouverts ou à ciel ouvert, neufs ou existants.

Si le dopage à l’oxygène se révèle comme une solution aux surcharges de pollution, il présente l’inconvénient d’être cher. À moins qu’il ne joue en synergie avec un process industriel ou une filière de traitement par ozonation mettant en œuvre de l’oxygène.

Dopage à l’oxygène : jouer la synergie

Deux oxygénateurs venturi pour remplacer les aérateurs

L'usine du Havre de Goodyear Chemicals Europe est équipée depuis 1975 d'une station de traitement des eaux usées.

Pour améliorer le fonctionnement de la filière biologique, l'entreprise a remplacé ses aérateurs de surface par deux systèmes d'oxygénation OxyDep d’Air-Products. Le brassage moins violent supprime le sectionnement du floc bactérien et les pertes de chaleur. Développé par Air-Products, Oxy-Dep se compose d’une pompe qui aspire l’eau pour la diriger vers un mélangeur.

Le mélange effluent-oxygène est réalisé au niveau du cône venturi. Il est ensuite réparti par des injecteurs en fond de bassin pour un bon brassage de l’eau du réacteur.

Une mesure d’oxygène dissous, transmise à un automate programmable, permet d’optimiser le procédé.

Surtout pour le traitement des charges fluctuantes provenant de l'industrie. De nombreux industriels se servent déjà d’oxygène pur dans leur process. Pour eux, utiliser quelques tonnes jours pour réduire la DCO peut être une solution rentable. Très présente dans l'industrie, Air Liquide cherche à développer cette synergie. « La plupart de nos équipements sont en milieu industriel », explique Étienne Thomas, « pour nous, l'installation type est en agro-alimentaire. Le traitement des 5 à 10 tonnes de DCO quotidiennes est réalisé par un dopage classique de 1 à 2 tonnes d’oxygène ». Pour les unités qui ne disposent pas d’oxygène sur place, « la fourniture de gaz se justifie pour une utilisation supérieure à 5 tonnes par jour », affirme-t-on chez Air Liquide.

Cependant, du côté des industriels, l’analyse doit être menée avec soin. Goodyear Chemical, qui est équipé d’un système Air Products depuis quelques années, estimait voici trois ans que son coût d’exploitation annuel s'élevait à 1 213 kF avec de l’oxygène contre 1 633 kF précédemment (voir encadré). « Dans ce cas, la balance économique est plutôt favorable à l’oxygénation ».

« Pour les applications municipales, il peut y avoir un intérêt lorsqu’on est en présence d'un effluent à forte variabilité », ajoute Didier Marchand, Responsable national développement traitement des eaux chez Air Liquide. Ce cas se présente à la station d'épuration de Lavelanet en Ariège (voir EIN N° 209 – février 1998). Construite par Degrémont, cette usine reçoit des effluents municipaux et industriels concentrés. Elle se voit dotée, pour les traiter, d’une technologie de dopage à l’oxygène tout à fait novatrice. Il s’agit de se servir, pour doper les bassins, de l’excédent d’oxygène laissé au sortir des tours d’ozonation. Le gaz récupéré est surpressé avant d’être réinjecté dans un Ventoxal, l’oxygénateur de type Venturi développé par Air Liquide. Une telle approche est confirmée par Lionel Rabin d'Air-Products : « Notre centre d’expertise en matière de traitement biologique traite surtout des effluents industriels, mais il est appelé parfois pour traiter des effluents mixtes ». Air-Products a d’ailleurs réalisé récemment l’oxygénation d'une station d’épuration mixte (elle reçoit des effluents de laiterie) près de Tarbes, dans le sud de la France.

Si l’oxygène peut apporter un plus au traitement des charges polluantes instables, il ne peut résoudre tous les problèmes. D’autant plus que l’oxygénation favorise une biomasse plus active, donc plus importante, ce qui se traduira immanquablement par une augmentation du volume des boues...

Attention à l’augmentation des boues

Si certains, comme Praxair, précisent que : « L’expérience montre que l’oxygène peut multiplier par deux la vitesse de sédimentation des boues, permettant ainsi de doubler le débit dans le clarificateur et de réduire le temps de rétention », d'autres, comme Anjou Recherches, soulignent que : « Plus les bactéries sont efficaces, plus elles se reproduisent. Le traitement en est meilleur, mais il produit plus de boues. On peut alors se trouver en présence de problèmes de séparation, avec des risques de déstabilisation de la faune qu'il faut savoir maîtriser ». On tombe alors sous le coup d’un facteur hydraulique limitant : « Quelle est la quantité de boues que l’ouvrage peut efficacement séparer ? » Bien sûr, il est possible de jouer sur des artifices comme l’injection de polymères, d’argile, de talc... pour une meilleure décantation. Mais à chaque fois on ajoute 30 à 50 % en équivalent masse, ce qui fait beaucoup de boues en plus. « Avec cette approche, on va vite atteindre les limitations de l’ouvrage », explique Bruno Tisserand, « cette solution peut être adoptée sur quelques heures ou quelques jours, mais pas quelques semaines, car le risque de bloquer l’évacuation des boues est grand ».

De plus, produire plus de boues impose de pouvoir les traiter, c’est-à-dire les déshydrater, les stocker. Toutes les étapes doivent être adaptées à la surcharge ponctuelle.

Bien sûr, il est possible de recirculer les boues au moment de la surcharge. Mais elles

Pour gagner de la place, tout en augmentant la capacité de l’équipement, on se sert de clarificateurs lamellaires, moins encombrants.

engorgent les bassins et peuvent déstabiliser la biomasse. Il faut alors attendre 15 jours à un mois avant de remettre la station en bon état de fonctionnement. En voulant bien faire de façon ponctuelle, on se pénalise sur le moyen ou le long terme. La surcapacité réduit la marge de manœuvre et augmente le risque de pannes. La solution est donc de traiter le problème dans sa globalité.

Traiter le problème dans sa globalité

Au-delà d’une certaine limite, il est impossible d'improviser, il faut avoir une vision d’ensemble car il y a des phénomènes limitatifs sur le court, moyen et long terme.

Pour simuler les besoins et les problèmes liés à la surcharge, les traiteurs d’eau se servent d’outils de simulation pour bâtir différents scénarios en rapport avec un événement ponctuel. Ceci leur permet de contrôler le comportement hydraulique des stations pendant les périodes de surcroît d’activité.

De telles études leur ont permis entre autres de mettre en évidence le rôle majeur joué par un équipement bien dimensionné pendant ces périodes de surcharge hydraulique.

Prenons par exemple l’étape du prétraitement. À ce stade, il faut éliminer le sable et les graisses présents dans l'effluent en entrée de station. Sur les eaux pluviales, non seulement la quantité de sable et de graisse est importante, mais le volume à traiter est beaucoup plus grand. Une étude réalisée à Arras a montré que, par temps de pluie, la matière polluante véhiculée en un jour par le réseau est équivalente à une semaine de production de boues sur l’eau usée traitée en station. Il faut donc que le rythme des enlèvements puisse suivre la vitesse d’engorgement des équipements. Ceci implique des opérations d’exploitation plus fréquentes, entraînant du personnel supplémentaire, d’où une augmentation des coûts.

Pour éviter l’engorgement des équipements par les sables apportés par les eaux pluviales, la mise en œuvre d'un dessableur peut être adaptée.

Pour réaliser cette opération, l’allemand Strate a développé la gamme de dessableur circulaire Rundsandfang qui permet de retenir 95 % des sables de granulométrie inférieure à 0,2 mm, à 80 % du débit maximal, pouvant atteindre 1 000 m³/h sur le modèle SKPK. « Le cylindre médian dans lequel arrivent les eaux usées chargées en sable augmente les accélérations subies par l’eau, explique Benoit Gartner de Strate, ceci facilite la séparation des solides contenus dans l’eau. »

En complément, deux tores d’injection d’air comprimé participent à la remontée vers la surface des particules hydratées, ce qui évite de surdimensionner les laveurs de sable.

Les études hydrauliques ont encore mis en avant le rôle important joué par les clarificateurs pendant ces périodes de surcharge.

Le rôle majeur des clarificateurs

Étant construits dans les années 60-70, explique Pierre Gilles, « les clarificateurs étaient sous-dimensionnés. Ils posent aujourd’hui des problèmes par temps de pluie ».

Dans ces périodes de forte surcharge, on observe des départs de boues qui nuisent au bon fonctionnement de la filière.

Pour pallier ces problèmes, il faut aménager la clarification de façon à augmenter sa capacité.

Cependant, il est souvent difficile de réaménager un clarificateur traditionnel ; il faut donc souvent le reconstruire. Pour gagner de la place, tout en augmentant la capacité de l’équipement, on se sert de clarificateurs lamellaires, moins encombrants.

Le Densadeg de Degrémont fait partie de ces équipements de la dernière génération. Sa conception associe une floculation rapide avec recyclage des boues et une floculation lente pour le grossissement du floc.

Densadeg accepte une vitesse élevée de décantation (de 20 à 120 m/h) ; il est insensible aux variations de vitesse et de charge.

Il élimine 80 % des matières en suspension et 80 % du phosphore.

L’épaississement intégré des boues autorise des concentrations de 30 à 550 g/l, ce qui permet, une fois extraites, de les envoyer directement en déshydratation.

Il en est de même pour le procédé Actiflo d’OTV qui conjugue lui aussi floculation lestée et décantation lamellaire.

Il s’installe en tête de filière, juste après le dégrillage fin et le dessablage grossier.

En aval, l’eau traitée peut être rejetée en rivière ou envoyée sur un traitement biologique complémentaire.

Les boues et le microsable déposés au fond du décanteur sont collectés par un racleur ou des trémies avant d’être acheminés au moyen d’un dispositif de pompage vers des hydrocyclones où s’opère une classification granulométrique pour récupérer dans la sousse la quasi-totalité du micro-sable à recycler.

Ces équipements autorisent un temps de séjour très réduit de l’effluent dans l’ouvrage, ce qui est intéressant.

De plus, leur mise en service est très rapide, ce qui leur permet d’écrêter sans problème les pics de débits d’eaux pluviales.

La remise à niveau d’une station d’épuration peut aller plus loin que la simple gestion des surcharges ponctuelles.

La réglementation impose aujourd’hui le traitement de l’azote et du phosphore et la suppression des micro-organismes.

Lorsqu’on prend en compte tous ces facteurs, les réacteurs à culture fixée apportent une solution pour traiter le problème dans sa globalité.

Adopter les cultures fixées

« Il faut être capable de maintenir une activité biologique plus importante dans le système », précise Pierre Gilles qui propose la technologie Biolift pour traiter ces problèmes.

Le Biolift utilise la technique des bactéries fixées sur lit fluidisé.

Les bactéries nitrifiantes s’accrochent au matériau particulaire dense (un microsable).

La circulation de l’eau générée par une colonne d’air maintient le matériau en suspension.

Cet équipement s’intègre entre le bassin de boues activées et le clarificateur.

Une nitrification s’effectue au sein du Biolift.

En sortie, une boucle de recirculation ramène la liqueur mixte en tête de bassin à boues activées.

Les nitrates y seront décomposés en azote gazeux et en oxygène, utilisé pour la dégradation de la pollution carbonée.

D’autre part, le circuit principal conduit la liqueur au clarificateur qui sépare les boues activées de l’eau épurée.

La recirculation interne de l’eau au sein du réacteur permet l’auto-nettoyage des particules, évacuant ainsi l’excédent de biomasse.

À la différence des solutions classiques dans lesquelles l’effluent séjourne

entre 10 et 24 heures, Biolift autorise un temps de séjour de 3 à 4 heures pour la dénitrification et moins d’une heure pour la réaction nitrifiante.

Cet équipement peu encombrant s'intègre bien dans le cadre de réhabilitation de station d’épuration. OTV vient d’ailleurs de gagner en mars 1998 le marché de Nancy Maxéville (voir encadré).

En concurrence, Degrémont propose Biofor. Ce procédé compact s’adapte aux variations de charge des zones touristiques et industrielles. Il apporte une solution souple et économique, et permet de traiter :

• - la nitrification et la dénitrification,
• - l'élimination du fer et du manganèse,
• - l'élimination du phosphate et des pollutions carbonées.

Mais l'avenir pourrait bien être tourné vers les membranes. Là aussi les constructeurs sont prêts : Degrémont, OTV, Orelis, Memcor, Tami Industries... prospectent ce marché des eaux résiduaires (voir EIN N° 211, avril 1998). Si les coûts d’investissement sont encore jugés trop élevés, ils ne cessent de baisser.

Et lorsqu’on prend en compte l'investissement, les coûts d’exploitation et de maintenance, la technologie pourrait bientôt se révéler concurrentielle.