Traitement tertiaire des eaux usées en France Le cas de l'usine de l'Hermitage (La Réunion)

L’amélioration de la gestion locale des ressources en eau est l’un des enjeux fondamentaux de la Réunion en matière de développement durable. Les objectifs fixés restent basés sur une alimentation en eau potable de qualité constante pour la population, et sur un traitement épuré de manière efficace des eaux usées pour la protection des ressources et de disposer d’un potentiel de réutilisation des eaux traitées à des fins d’arrosage ou comme eaux industrielles.

Ainsi, le programme des travaux de réhabilitation de la station d’épuration de l’Hermitage a planifié, d’une part, une mise aux normes des rejets et, d’autre part, un doublement de la capacité de traitement qui passera en 2010 de 12 500 EH à 25 000 EH.

Base de dimensionnement du traitement tertiaire

Charges polluantes

Les données de base des charges polluantes (tableau 1) prises en compte pour le traitement tertiaire sont définies par les paramètres suivants :

Tableau 1 : Charges polluantes admises en entrée de la filtration tertiaire

Description

La filière relative au traitement tertiaire intègre les ouvrages suivants :

• un poste de relèvement,
• un bâtiment technique (figures 2 et 3) avec :
  • local électrique, local réactif, local surpresseur air et eau de lavage,
  • bâche eau de lavage,
  • traitement filtre à sable et réacteur UV,
• un comptage venturi avec rejet vers regard existant,
• un poste refoulement eaux sales.

Le poste de relèvement du traitement tertiaire est alimenté gravitairement à partir de la lagune d’affinage n° 3. Une crépine d'une maille de 3 mm est placée sur la conduite d'alimentation du poste afin d’arrêter les grosses particules et les débris divers. Cette crépine est autonettoyante, grâce à une rampe équipée de buses pour une injection d’eau sous pression à contre-courant. L’eau sous pression est prélevée par une conduite « piquée » sur le collecteur du refoulement du poste de pompage. Actuellement, le lavage de la crépine autonettoyante est réalisé par une pompe qui est directement connectée dans la bâche de stockage.

Dans ce poste, 4 pompes (3 + 1 secours) alimentent le traitement tertiaire par échelon de débit de 100 m³/h. Le démarrage de 1, 2 ou 3 pompes est contrôlé par une mesure de niveau sur la lagune d’infiltration. Le débit nominal de 300 m³/h est refoulé au travers de 2 pré-filtres, en ligne, d'une maille de 50 µm, autonettoyants, de 150 m³/h unitaires. Une mesure de turbidité est placée en aval des pré-filtres et permet de commander, sur un seuil de turbidité paramétrable, l'injection d’un coagulant.

Charges hydrauliques

Le débit hydraulique maximum est de 300 m³/h pour :

• 6 500 m³/j en temps sec sur 22 heures,
• 14 000 m³ pour 47 heures en temps de pluie.

Objectifs de traitement

L'installation est conçue de façon à respecter l’arrêté n° 6-2116/SG/DRCTCV du 06 juin 2006 (tableaux 2 & 3), les normes guides pour les eaux de baignade ainsi que la contrainte de type A exigée pour une eau d’irrigation. La qualité bactériologique attendue après traitement UV est la suivante :

Tableaux 2 & 3 : objectifs de qualité de l’eau produite après le traitement tertiaire (dans 95 % du temps sur échantillons ponctuels)

(*) après définition

Tableau complémentaire – Exigences pour l’irrigation et l’eau de baignade

** après détection à Tichera et Anglestoniensis.

Les eaux traitées s’offrent des UV

Station d’épuration de l'Hermitage.

Le mélange de l'eau brute et du coagulant du type chlorure ferrique est assuré grâce à un mélangeur statique en ligne.

L'alimentation des filtres à sable sous pression est effectuée à partir d’une nourrice générale par l’eau préfiltrée et éventuellement pré-coagulée.

Filtration tertiaire

Une injection en ligne de chlorure ferrique en amont des filtres à sable est prévue. La coagulation est mise en œuvre lorsque la concentration en MES de l'eau pompée dans la lagune n° 3 est supérieure à 25 mg/l. Le déclenchement de l’injection de chlorure ferrique est asservi à un seuil de turbidité de l'eau pompée dans la lagune n° 3. De plus, l'injection de chlorure ferrique permet, en plus de l'abattement du phosphore particulaire, un léger abattement du phosphore dissous précipité par le sel de fer.

Le chlorure ferrique est livré en containers de 1 m³.

L’injection du coagulant est effectuée par 1 pompe doseuse (1 + 1 secours) dans la conduite principale, en amont du mélangeur statique. Ce dernier, constitué d’hélicoïdes, assure une turbulence garante de l’homogénéisation et d’une bonne coagulation. Actuellement, l’exploitant n’utilise pas de chlorure ferrique sur le traitement tertiaire.

La filtration tertiaire est réalisée avec six filtres à sable sous pression, alimentés par le poste de relevage des eaux de la lagune n° 3, après pré-filtration et éventuellement pré-coagulation.

La couche filtrante est composée de biodagène (schiste expansé) 3-6 mm reposant sur un plancher drainant crépiné.

Choix de la filtration

Le choix de la granulométrie – 3-6 mm – et la hauteur de lit filtrant – hauteur de 2 m – résulte de nos nombreux essais pilote en filtration tertiaire et de références d’usines construites par OTV-Veolia. La combinaison de la granulométrie et de la hauteur filtrante présente les avantages suivants :

- éviter le colmatage rapide du filtre en surface, en privilégiant un piégeage des MES sur une hauteur de couche plus importante,

- éviter la réduction importante des cycles de filtration en cas de pics de MES et limiter la dégradation de la qualité de l’eau filtrée,

- admettre des vitesses de filtration de 15 m/h.

Une qualité d’eau filtrée stable sera par ailleurs bénéfique pour la désinfection UV. L’admission de l’eau à traiter dans les filtres s’effectue en partie haute dans une goulotte qui a un double rôle : admission de l’eau à filtrer et évacuation des eaux de lavage.

La masse filtrante est composée d’une couche constituée de biodagène sur 2 m d’épaisseur (tableau 4).

Sous la couche filtrante, on trouve une couche de gravier de 10 cm et un plancher métallique, muni de crépines.

Le plancher permet d’assurer la parfaite homogénéité de la répartition du fluide au sein de la masse filtrante, tant au cours de la filtration proprement dite qu’au cours des opérations de lavage.

L'eau filtrée est évacuée par une conduite en fond de filtre. Cette conduite sert également à l’admission de l'eau pour le lavage du filtre. La conception de l’installation permet le lavage et la filtration en simultané.

Les filtres sont lavés à tour de rôle en cours ou en dehors des périodes de fonctionnement. Le déclenchement des lavages se fait sur table horaire, sur seuil de colmatage atteint, ou bien sur décision de l’opérateur. Le contrôle de la perte de charge des filtres s'effectue par mesure de la différence de pression entre la tuyauterie d’entrée d’eau à filtrer et celle de sortie d’eau filtrée (manomètre différentiel à contact).

On privilégie le lavage des filtres durant la nuit, lorsque le débit traité sur la STEP est réduit. Ceci permettra de limiter l'impact hydraulique sur la station.

Lavage des filtres

Le déroulement des différentes opérations du lavage est automatique.

Un cycle de lavage comporte plusieurs phases distinctes :

- Première phase : détente – insufflation d’air au débit de 50 Nm³/h/m² pendant 1 minute.

- Deuxième phase : air + eau – insufflation d’air au débit de 50 Nm³/h/m² associée à un contre-courant d’eau limité à 8 m³/h/m² pendant 8 minutes.

- Troisième phase : rinçage – rinçage et évacuation des eaux sales à l'eau seule au débit de 50 m³/h/m² pendant 8 minutes.

L'eau de lavage est admise par la même tubulure que la sortie d'eau filtrée. L'air est admis par une tuyauterie débouchant sous le plancher.

L'eau de lavage est fournie par une pompe assurant le débit nécessaire de 200 m³/h pour la hauteur manométrique maximale.

Tableau 4 : Dimensionnement de la filtration tertiaire

L'eau de lavage est pompée dans la bâche d'eau filtrée et désinfectée, d'un volume de 20 m³.

Les eaux sales sont ensuite récupérées dans un poste, équipées de deux pompes de vidange de 60 m³/h unitaire (1 + 1 secours) refoulant vers le bassin biologique.

Désinfection UV

Le principe de désinfection par rayonnement UV s'est beaucoup développé depuis quelques années pour les eaux usées et est considéré comme une bonne alternative à la chloration. Le plus intéressant est que la désinfection ne s’accompagne de la formation d’aucun produit de réaction avec les matières organiques de l'eau.

Les rayonnements UV sont représentés par des ondes lumineuses de longueurs d’ondes comprises entre 100 et 400 nm. Leur pouvoir germicide dépend de la longueur d’onde émise. Ce sont les UVc compris entre 200 et 280 nm qui sont les plus germicides.

Le spectre d’émission des lampes dépend de la pression de mercure dans les lampes.

Choix technologique

C'est la technologie des lampes basse pression qui a été choisie pour cette installation. Ces dernières ont l’avantage d’émettre un rayonnement maximum à une longueur d’onde de 254 nm, qui correspond à la bande optimale de l’effet germicide.

> Longue durée de vie : 15 000 heures de fonctionnement (12 000 heures garanties de fonctionnement), 15 000 heures constatées

> Faible consommation électrique.

> 96 % du spectre est émis à 253,7 nm pour un rendement maximum.

> La dose appliquée est de 400 J/m² en fin de vie des lampes.

Fonctionnement et dimensionnement

Trois files (figure 6), équipées chacune d'un réacteur UV basse pression en ligne de 100 m³/h unitaire, sont installées en aval de la filtration tertiaire. Elles sont indépendantes et peuvent être isolées indépendamment les unes des autres. L’ensemble est commandé par une armoire électrique assurant l’allumage des lampes, leur fonctionnement, le comptage des heures de fonctionnement et une alarme indiquant un éventuel dysfonctionnement.

Les réacteurs (tableau 5) disposent d’un dispositif de nettoyage automatique des lampes par balayage. La fréquence de nettoyage est réglable en fonction de la qualité de l’eau et de la mesure de l’intensité.

Les réacteurs UV sont : — disposés horizontalement de manière à faciliter les opérations de contrôle et d’entretien ; — équipés de deux vannes de vidange et nettoyage ; — équipés de trois turbulateurs afin d’homogénéiser l’effluent et la désinfection.

Il est par ailleurs prévu une mesure de la turbidité de l'eau, qui permet d’apprécier les matières en suspension sur l'eau filtrée dont on sait que la présence peut réduire l’efficacité des UV. L’étape de désinfection UV peut être by-passée par un jeu de vannes manuelles en cas de dégradation importante de l'eau filtrée.

L'eau traitée et désinfectée est recueillie dans un puits de tranquillisation puis comptée par un canal venturi. Un préleveur réfrigéré asservi au débit est prévu.

Résultats :

La concentration en MES dans l’eau produite a toujours été inférieure à 5 mg/l.

Tableau 5 : Dimensionnement des réacteurs de désinfection UV

et s’est le plus souvent située autour de 2 mg/L.

– Les résultats obtenus sur l’eau produite vis-à-vis des microorganismes sont les suivants (tableau 6) :

Tableau 6 : Résultats obtenus sur l’eau produite vis-à-vis des microorganismes

On note ainsi que les concentrations obtenues avec les divers microorganismes sont largement au-dessous des seuils demandés pour la majorité des cas. Il est intéressant de noter les valeurs nulles en salmonelles et en entérovirus. Les valeurs en œufs d’Helminthes ont toujours été inférieures à 1 /L. Des concentrations de 0 à 1 u/100 mL ont été relevées pour les streptocoques fécaux, avec une valeur maximale de 6 u/100 mL.

À certaines périodes, de fortes valeurs en matières en suspension dans l’eau traitée ont été observées, ce qui a entraîné une détérioration des conditions de désinfection. Mais les concentrations obtenues en coliformes fécaux et streptocoques restent en dessous des garanties. Il convient également de noter que le programme de réhabilitation/extension de la station d’épuration (en cours) par le MO (La Créole) sur l’usine existante permettra dans un futur proche de résoudre ce point et d’améliorer la régularité de la qualité de l’eau produite.

La valeur de la transmittance UV (figure 7) de l’eau s’est située entre 58 % et 62 %, ce qui reflète la bonne qualité de l’eau sortant de la filière. Une transmittance UV élevée indique la faible présence de matières en suspension et la faible coloration de l’eau. Ces conditions sont favorables à une bonne efficacité de la filtration et de la désinfection UV.

Aspect pédagogique

Toutes les canalisations du traitement tertiaire ont été peintes selon un code couleur très précis. L’objectif est de se servir de cette installation comme outil pédagogique. Le traitement tertiaire est fréquemment visité par les écoles, les lycées, les universités, les associations et les professeurs. Les canalisations en couleur facilitent la compréhension de tous les visiteurs.

Conclusion

Cet exemple de traitement tertiaire des eaux usées sur l'usine de l'Hermitage (La Réunion) montre qu'elle est une des solutions possibles de réutilisation de ces eaux pour faire face à ces périodes de sécheresse récurrentes et/ou limiter les prélèvements d’eau dans un milieu naturel.

Ainsi, l’eau produite pourrait être réutilisée pour des usages (irrigation par exemple) en lieu et place des ressources en eau potable.

Ainsi, la réutilisation des eaux usées qui est une pratique très répandue dans les régions du monde affectées par des pénuries de ressources en eau, peut être une des solutions possibles dans la limite du respect de la réglementation en vigueur. Car elle permet de supprimer ou de différer les rejets des stations d’épuration dans les milieux vulnérables.

Avec des technologies conventionnelles telles que la filtration sur sable et la désinfection UV, il est possible de respecter des qualités d’eaux en vue de leur réutilisation à des fins agricoles et industrielles ou pour protéger des zones de loisirs (eaux de baignade, activités sportives). C’est un enjeu fort à l'Hermitage qui constitue une zone touristique importante sur l'île.