Expansion et modernisation des stations d'épuration des eaux usées (STEP)

• 1. les stations d'épuration obsolètes
• 2. Expansion des stations d'épuration des eaux usées (STEP)
• 3. Extension de la STEP d'un abattoir de volailles avec des produits de volaille précuits.
• 4. Les conclusions

1. les stations d'épuration obsolètes

De nombreuses stations d'épuration des eaux usées (STEP) construites au cours des dernières décennies pour gérer les effluents industriels à forte charge polluante sont devenues obsolètes en raison de divers facteurs :

• Croissance de la capacité de production de ces industries.
• Elles ont été limitées par des pénuries d'eau et des épisodes de sécheresse.
• Les administrations imposent des limites plus strictes pour la DCO, la DBO5, les matières en suspension, l'azote total, le phosphore, les métaux lourds et d'autres paramètres.

Pour ces raisons, un traitement tertiaire ou une extension de l'usine est souvent nécessaire pour permettre un rejet ou une réutilisation de l'eau en toute sécurité.

Lorsque l'on envisage l'extension ou la rénovation d'une STEP, il convient de prendre en compte les éléments suivants :

• Réduction des équipements nécessaires. Un exemple est l'élimination possible de l'équipement d'épaississement des boues, car les systèmes DAF produisent des boues plus concentrées.
• Réduction de la consommation d'énergie, en donnant la priorité aux technologies efficaces.
• Réduction de l'espace nécessaire à l'expansion, car le nouvel équipement est plus petit. 
• Réduction de la production de boues en optimisant les conditions de chargement et l'âge des boues, ainsi qu'en augmentant la concentration des boues par d'autres procédés de séchage mécanique.
• Réutilisation des effluents traités dans des processus auxiliaires (lavage, tours de refroidissement), dans l'eau de service ou dans l'irrigation, réduisant ainsi la consommation d'eau du réseau.

2. Expansion des stations d'épuration des eaux usées (STEP)

Lorsqu'une station d'épuration devient trop petite, différents types de problèmes sont observés :

• Mauvaises odeurs
• Difficultés d'entretien dues au fonctionnement à la limite
• Augmentation de la production de boues
• Augmentation possible de la taxe sur les décharges
• Non-respect de la réglementation en matière de rejets.

L'une des principales difficultés rencontrées lors de l'agrandissement d'une station d'épuration est le manque d'espace disponible. Il est souvent nécessaire de renforcer le système de traitement des effluents ou d'y ajouter de nouveaux équipements, tout en faisant face à des augmentations significatives de la production de boues. En outre, nombre de ces installations fonctionnent avec des technologies devenues obsolètes par rapport aux solutions plus efficaces et plus compactes actuellement fabriquées.

Dans de nombreux cas, le remplacement total d'une station d'épuration par une nouvelle station est irréalisable, à la fois en raison du coût élevé que cela implique et du manque d'espace pour construire une nouvelle installation alors que la station actuelle est toujours opérationnelle. Par conséquent, une alternative plus réaliste est la modernisation progressive par la mise à niveau ou le remplacement des unités clés du système existant, dans le but d'augmenter sa capacité, son efficacité et son adaptabilité aux nouvelles exigences réglementaires et opérationnelles.

Dans d'autres cas, les technologies utilisées ne permettent pas d'atteindre la qualité requise de l'eau traitée, en particulier lorsqu'elle doit être rejetée dans un cours d'eau public.

Un ejemplo claro es el cumplimiento de los límites de DQO y Nitrógeno cuando se emplean decantadores secundarios en tratamientos biológicos o reactores SBR, los cuales no alcanzan los rendimientos esperados en la separación de sólidos. Esta falta de rendimiento se puede deber al dimensionamiento insuficiente del elemento, o a las características de los sólidos que no tienen el índice de sedimentación (IVL o índice volumétrico de lodos) adecuado para su separación por decantación (IVL < 100).

Un certain nombre de stratégies sont souvent utilisées pour réaliser ces extensions et améliorations :

En traitement primaire (physico-chimique)

Le remplacement des systèmes de tri des déchets est de plus en plus fréquent.r(type plaque coalescente ou séparateur de densité) et les systèmes de décantation primaire par équipement de flottation à air dissous (DAF), ou par Systèmes CAF (cavitation induced air flotation).

Ces équipements permettent une séparation plus efficace des matières colloïdales, des solides en suspension, des huiles et des graisses, et d'une partie de la matière organique, réduisant ainsi la charge polluante qui atteint le traitement biologique ultérieur. Leur conception compacte, leur modularité, leur automatisation et leur fiabilité en font des équipements idéaux pour l'intégration dans les lignes de traitement existantes.

A système DAF sursature l'air, qui est ensuite libéré sous forme de petites bulles à l'intérieur du flotteur, lesquelles s'attachent aux solides en suspension, les entraînant à la surface, où elles sont extraites par un système de balayage mécanique. Dans le cas du système CAF, les bulles sont créées par cavitation, générée par la rotation d'une turbine.

Un système DAF peut également être utilisé pour remplacer la décantation secondaire, qui se produit après un processus biologique. Cette combinaison d'un réacteur biologique et d'un système DAF est connue sous le nom de FBR (bioréacteur à flottation).

Dans ce scénario, les systèmes DAF permettent de réduire la taille occupée par le réacteur en travaillant à des charges plus élevées, avec des concentrations de biomasse (MLSS) de l'ordre de 5 à 6 g/l, bien plus élevées que les 3 à 4 g/l des réacteurs dotés d'un décanteur secondaire.

En outre, les systèmes DAF produisent des boues avec des concentrations élevées en matière sèche (entre 3 et 4 %), alors que la sédimentation atteint à peine 1 % de matière sèche. Grâce aux systèmes DAF, les équipements intermédiaires d'épaississement des boues ne sont plus nécessaires, ce qui se traduit par un gain d'espace significatif et une réduction du nombre d'équipements et de pompes.

Les principaux avantages de l'équipement de flottation à l'air dissous sont les suivants :

• Remplacement des décanteurs primaires dans les industries utilisant des graisses et des huiles (abattoirs, laiteries, aliments précuits, etc.).
• Amélioration des performances d'élimination des solides et réduction de la DCO dans les installations présentant une surcharge hydraulique ou organique.
• Optimisation de la charge de traitement biologique en aval (réduction de 40 à 60 % de la DCO et des solides en suspension).
• Efficacité de séparation élevée (>90% TSS, >80% COD).
• Réduction du volume des boues biologiques.
• Installation simple et mise en service rapide.

Si la production de boues a augmenté depuis la construction de la STEP, il faut tenir compte des avantages et des inconvénients de chacun des procédés de déshydratation mécanique (centrifugeuse, filtre à bande, filtre-presse, etc.). Les filtres-presses sont ceux qui permettent d'obtenir la siccité des boues la plus élevée (30 à 40 %).

Dans le traitement secondaire (biologique)

En fonction de la composition de l'effluent, il peut être nécessaire de renforcer le processus de nitrification-dénitrification. À cette fin, il est possible d'étendre les zones anoxiques et les zones d'aération prolongée ou d'incorporer des technologies spécifiques telles que les réacteurs MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor). Ces systèmes intègrent plusieurs étapes de traitement biologique grâce à l'utilisation de supports mobiles ("carriers") qui favorisent le développement d'une biomasse fixée. Cette configuration optimise l'élimination de l'azote et permet d'effectuer l'oxydation biologique dans un volume plus petit, ce qui augmente l'efficacité du processus et réduit l'espace nécessaire.

Il peut arriver que des charges organiques élevées invitent à installer un système anaérobie en amont du système aérobie, ce qui permet d'améliorer les performances biologiques, de produire du biogaz et de réduire considérablement la production de boues.

Il existe également des rejets qui sont résistants ou réfractaires à la dégradation biologique, comme c'est le cas de certains composés organiques dans les industries du textile, du papier, de la chimie, de la pharmacie ou des cosmétiques. Dans ces cas, des systèmes d'oxydation chimique avancés (OAP) peuvent être installés pour briser les chaînes de composés organiques en chaînes plus biodégradables. Les technologies les plus courantes utilisent des réactifs d'oxydation énergétique tels que l'ozone (O₃), les peroxydes (H₂O₂), le chlore sous forme de dioxyde (ClO₂) ou de peroxyde (Cl₂O₃), des catalyseurs UV. Ce processus est suivi d'une filtration moyenne multicouche (MMF) et d'un charbon actif granulaire (GAC).

Les bioréacteurs à membrane constituent une excellente option pour renforcer et améliorer le traitement biologique conventionnel. Un système MBR combine le traitement biologique avec la filtration sur membrane (microfiltration ou ultrafiltration), ce qui permet d'éliminer les solides en suspension, les matières organiques, l'azote et le phosphore. Les bioréacteurs à membrane produisent une eau traitée de qualité supérieure qui, dans de nombreux cas, peut être réutilisée. De plus, leur petite taille permet d'économiser de l'espace dans l'usine.

Le avantages principaux systèmes MBR sont :

• Remplacement ou extension du traitement biologique conventionnel sans avoir recours à des clarificateurs et des épaississeurs.
• Production d'eau de haute qualité pour réutilisation (irrigation, tours de refroidissement, processus industriels).
• Concentration de biomasse plus élevée (MLSS 8 - 12 g/l), réduisant le volume du réacteur.
• Calidad de efluente excelente (SS <1 mg/l, turbidez <0,2 NTU).
• Capacité accrue à absorber les pics de charge polluante, ce qui est courant dans les installations industrielles.
• Un équipement robuste et compact qui garantit un traitement fiable et continu.
• Moins de boues excédentaires générées par le processus biologique.
• Réduction de l'empreinte carbone.
• Fonctionnement automatisé et stable.

En option, les systèmes MBR peuvent être intégrés à des systèmes de désinfection tertiaire ou d'osmose inverse pour une réutilisation directe de l'eau traitée.

3. Extension de la STEP d'un abattoir de volailles précuites.

Les abattoirs de volaille équipés de lignes de précuisson génèrent des eaux usées à forte charge organique, avec une présence importante de graisses, de protéines, d'huiles, de sang, d'assaisonnements et d'additifs.

Les installations traditionnelles sont souvent insuffisantes pour respecter les limites de rejet requises, en particulier pour la DCO, le total des solides en suspension et les graisses.

L'exemple d'un abattoir de volailles avec production supplémentaire de produits précuits, qui dispose d'une station d'épuration avec rejet dans un cours d'eau public. Cette installation dispose de la ligne de traitement suivante :

• Traitement primaire avec décantation primaire
• Traitement biologique conventionnel par boues activées.
• Séchage mécanique des boues par centrifugation.

Le tableau suivant présente la composition de base des effluents générés par cette industrie :

PARAMÈTRE	UNITÉ	CONCENTRATION
pH	-	6,5-8
COD	mg/l	4.000-10.000
SST	mg/l	2.000-4.000
Huiles et graisses	mg/l	500-1.500
Azote total	mg/l	80-150

Ces eaux usées regroupent les rejets provenant de l'abattage (sang, abats), de l'échaudage et de la plumaison, du lavage des plateaux, de la cuisson, de l'empaillage et du nettoyage des équipements.

L'installation comprend les étapes de traitement suivantes :

Dans ce cas, qui peut être considéré comme très fréquent, l'action suivante est proposée :

Dans le traitement physico-chimique , le décanteur primaire est remplacé par une unité de flottation à air dissous. L'objectif est d'éliminer la plupart des solides, des graisses et une partie de la DCO afin de réduire la charge entrant dans le traitement biologique.

La configuration du système DAF est la suivante :

• Équipement de dosage des coagulants et des floculants, qui sont injectés dans un serpentin de floculant pour une réaction adéquate.
• Équipement DAF avec système de diffusion d'air, extraction superficielle des boues au moyen d'un balai mécanique et purge de fond automatique.
• Système de pressurisation avec pompe de recirculation de l'eau, saturation en air pressurisé et aération avec dépressurisation et distribution de bulles d'air dans le réservoir à flotteur.

Les rendements obtenus par la STEP après cette modification sont les suivants :

• MES : réduction de >90%.
• DCO : réduction de 40 à 60
• Graisses : élimination >90%.

Pour le traitement secondaire, il est proposé de convertir le réacteur biologique à boues activées conventionnel en un système MBR avec des membranes immergées dans un réservoir annexe.

L'objectif est d'oxyder la matière organique qui s'échappe du DAF et d'éliminer l'azote, afin d'obtenir un effluent clarifié, exempt de solides et pouvant être réutilisé.

La configuration proposée pour le bioréacteur à membrane est la suivante :

Réservoir auxiliaire contenant des membranes de microfiltration plates et immergées avec des équipements pour la recirculation, le nettoyage de l'air, le nettoyage chimique et l'élimination des boues.

Après ce remodelage, les caractéristiques de base de l'eau traitée sont les suivantes :

PARAMÈTRE	UNITÉ	LIMITE DE REJET (*)	EFFLUENT TRAITÉ
COD	mg/l	125-150	≤ 50
SST	mg/l	35-60	≤ 5
Huiles et graisses	mg/l	10-25	≤ 10
N - NH4+	mg/l	15-35	≤ 10

(*) Les limites de rejet dans les cours d'eau publics dépendent du bassin hydrographique et de l'autorisation de rejet spécifique.

Ces résultats nous permettent d'observer les améliorations suivantes après la modernisation de la station d'épuration :

• Réduction globale de la DCO > 95 %, des MES > 98 %.
• L'effluent peut être réutilisé dans les services, l'irrigation.
• Réduction de l'ordre de  40 % du volume des boues.
• Respect des réglementations en matière de déversement et économies sur les frais de déversement.
• Absence d'odeurs désagréables.
• Réduction de la surface par rapport aux systèmes conventionnels.
• Fonctionnement stable, automatisable et moins sensible aux variations de charge

D'autres améliorations potentielles pour la STEP analysée sont détaillées ci-dessous :

• Installation d'un système de désinfection UV ou de chloration pour la réutilisation de l'eau dans les opérations de nettoyage.
• Digestion anaérobie des boues si l'on souhaite obtenir du biogaz pour la récupération d'énergie.
• Surveillance en ligne de la DCO, du NTK, du flux, de la pression de la membrane et de l'oxygène dissous.
• Remplacement de la centrifugeuse à boues par un filtre-presse, qui permet d'augmenter la teneur en solides (siccité) des boues jusqu'à 25 - 30 %.

Après ces modifications, la ligne de traitement serait la suivante :

L'évaporation sous vide est plus adaptée lorsque les déchets doivent être valorisés ou lorsqu'une concentration élevée des déchets est nécessaire en raison de leur dangerosité ou de leur complexité. Dans ces cas, l'investissement initial et la consommation d'énergie élevée peuvent être récupérés.

Les filtres à bande et les centrifugeuses conviennent mieux aux flux élevés de boues simples, comme ceux des stations d'épuration municipales. Ils permettent d'obtenir une concentration de boue adaptée aux décharges standard, à des coûts d'installation et d'exploitation relativement faibles.

4. Les conclusions

La croissance industrielle et la diversification des produits se traduisent souvent par une augmentation des débits et de la charge polluante à traiter par les stations. Cette surcharge peut submerger les stations d'épuration existantes, compromettant l'efficacité du traitement et le respect des limites de rejet.

Le renforcement des exigences réglementaires et des engagements en matière de développement durable entraîne la modernisation de nombreuses stations d'épuration des eaux usées industrielles. Dans ce contexte, l'incorporation de technologies avancées telles que les systèmes de flottation à air dissous (DAF) et les bioréacteurs à membrane (MBR) permet non seulement d'améliorer considérablement la qualité de l'effluent final, mais aussi d'optimiser le fonctionnement, de réduire l'empreinte spatiale de l'installation et de faciliter la réutilisation de l'eau traitée.

Les systèmes de traitement conventionnels, basés sur des décanteurs primaires, des réacteurs biologiques traditionnels et des clarificateurs secondaires, sont dans de nombreux cas insuffisants ou inefficaces face aux nouvelles demandes. La modernisation des stations d'épuration industrielles, y compris les technologies telles que les systèmes DAF et MBR, permet de relever les défis actuels du traitement de l'eau :

• Réduire les coûts opérationnels.
• Augmenter la capacité de traitement.
• Améliore les performances des plantes.

Bibliographie et consultations

• Metcalf & Eddy (2020), Wastewater Engineering : Treatment and Resource Recovery.
• Judd, S. (2011), The MBR Book : Principles and Applications of Membrane Bioreactors for Water and Wastewater Treatment (Le livre MBR : principes et applications des bioréacteurs à membrane pour le traitement de l'eau et des eaux usées)..
• Capodaglio, A. G. (2019), Traitement avancé des eaux usées
• Flottateur à air dissous pour le traitement des eaux usées
• Système de flottation à air cavité CAF pour les eaux usées
• Bioflottation FBR : réacteur biologique + clarification DAF
• Filtre presse pour la déshydratation des boues
• Système MBR - Bioréacteurs à membrane pour les eaux usées 
• Floculateur PFL pour la coagulation-floculation - SIGMADAF