Analyse et caractérisation des eaux usées industrielles

• 1. Caractérisation des eaux usées industrielles
• 2. Prélèvement d'échantillons
• 3. Analyse des eaux usées
• 4. Essais et tests en laboratoire                   
• 5. Définition et description du processus approprié : chaîne de traitement
• 6. Dimensionnement des équipements de traitement des effluents
• 7. Conclusions

1. Caractérisation des eaux usées industrielles

Les effluents issus des activités industrielles doivent être traités de manière appropriée afin de respecter la réglementation en vigueur en matière de rejets et de protection de l'environnement.

Une caractérisation correcte des eaux usées constitue la première étape pour garantir la conception adéquate d'une station d'épuration. La qualité et la fiabilité des analyses et des essais préalables ont une incidence directe sur :

• Le choix du procédé et des technologies.
• Le dimensionnement des équipements.
• Les rendements finaux de l'installation.

Une connaissance insuffisante des effluents peut entraîner des conceptions inefficaces, des problèmes d'exploitation et des difficultés à respecter les limites légales de rejet.

La configuration et la complexité de la chaîne de traitement dépendront de facteurs tels que :

• La composition physico-chimique et biologique des rejets.
• La variabilité des processus de production.
• Les exigences imposées au point final de déchargement ou de réutilisation.

Chaque secteur d'activité présente des particularités qui lui sont propres, liées à ses matières premières, à ses procédés de fabrication, à ses produits auxiliaires et à ses opérations de nettoyage.

Le processus de caractérisation commence généralement par la détermination des débits des différents cours d'eau qui composent l'effluent global. Pour ce faire, on utilise des mesures directes à l'aide de débitmètres, des bilans hydrauliques et des données historiques sur la consommation d'eau.

De même, il est indispensable de disposer d'informations fournies par l'industrie elle-même concernant les consommations liées aux processus, les eaux de nettoyage, les circuits de refroidissement, les recirculations internes, les équipes de production et les éventuelles variations saisonnières.

On procède ensuite au prélèvement d'échantillons des différents flux d'eaux usées. Cette opération peut être réalisée à l'aide de systèmes automatiques ou manuels, en veillant toujours à ce que les échantillons prélevés soient représentatifs des conditions réelles de fonctionnement de la station. Au cours de cette phase, on identifie les flux particulièrement pollués, les rejets pouvant faire l'objet d'un tri et les options possibles de réduction ou de réutilisation des eaux. À cet égard, il convient de souligner que le traitement le plus efficace est toujours celui qui parvient à réduire au préalable le volume et la charge polluante du rejet généré.

Enfin, toutes les informations complémentaires relatives aux incidents de production, aux nettoyages spéciaux, aux rejets ponctuels ou à l'utilisation de produits chimiques spécifiques revêtent une grande importance pour définir correctement les caractéristiques des effluents et garantir une conception adaptée de la future station d'épuration.

2. Prélèvement d'échantillons

Le prélèvement d'échantillons est une opération fondamentale dans le processus de caractérisation des eaux usées industrielles, car la validité et la représentativité des résultats analytiques ultérieurs en dépendent dans une large mesure. Un échantillon mal prélevé ou mal conservé peut conduire à des interprétations erronées quant à la nature du rejet et, par conséquent, à des décisions inappropriées lors de la conception du traitement.

Il existe différentes méthodes d'échantillonnage en fonction des caractéristiques des effluents et des objectifs visés.

Les systèmes d'échantillonnage automatiques sont particulièrement recommandés dans les installations présentant une forte variabilité des débits ou des polluants, car ils réduisent au minimum les erreurs humaines et garantissent une plus grande fiabilité statistique des échantillons prélevés. Toutefois, dans certaines circonstances, on continue à procéder à des prélèvements manuels, notamment lors d'études préliminaires ou au niveau de points de rejet difficiles d'accès.

L'échantillonnage ponctuel ou instantané consiste à prélever un échantillon à un moment précis ; il est généralement utilisé lorsque les caractéristiques du rejet restent relativement constantes ou lorsqu'on cherche à détecter un incident spécifique.

Cependant, étant donné que de nombreux rejets industriels présentent d'importantes variations tout au long de la journée de production, il est plus courant de recourir à l'échantillonnage composite, qui combine différents échantillons prélevés au cours d'une période donnée, généralement de manière proportionnelle au débit.

L'échantillonnage proportionnel au débit permet d'obtenir une représentation beaucoup plus précise de la charge polluante réellement rejetée, car il établit un rapport entre le volume d'échantillon prélevé et le débit instantané de l'effluent. Ce système est généralement mis en œuvre à l'aide d'équipements automatiques programmables, capables de prélever des échantillons à des intervalles de temps définis ou en fonction de signaux provenant de débitmètres, de capteurs de niveau ou de paramètres physico-chimiques.

Le prélèvement d'échantillons s'accompagne généralement de l'installation de regards de prélèvement spécifiques, d'équipements de refroidissement et de conservation, de débitmètres et de capteurs en ligne mesurant des paramètres tels que le pH, la conductivité, la température, la turbidité ou l'oxygène dissous.

Il est essentiel de bien choisir le point de prélèvement ; il convient d'éviter les zones présentant des sédimentations, des turbulences excessives ou un mélange incomplet, susceptibles d'altérer la représentativité de l'échantillon.

3. Analyses des eaux usées

Une fois les échantillons représentatifs de l'effluent prélevés, on procède aux analyses physico-chimiques et microbiologiques nécessaires pour déterminer la composition des eaux usées. Ces analyses doivent être réalisées dans des laboratoires spécialisés et agréés, selon des procédures normalisées et des méthodes officiellement reconnues.

Une conservation adéquate des échantillons est essentielle pour garantir la fiabilité des résultats d'analyse. En règle générale, les échantillons doivent être conservés au réfrigérateur à une température avoisinant les 4 °C et stockés dans des récipients adaptés, parfaitement fermés et à l'abri de la lumière. Dans certains cas, il peut être nécessaire d'ajouter des agents conservateurs chimiques, à condition que ceux-ci n'altèrent pas les paramètres faisant l'objet de l'analyse.

Le contrôle de la chaîne de traçabilité est indispensable pour garantir la traçabilité complète de l'échantillon, depuis son prélèvement jusqu'à la communication des résultats d'analyse. À cette fin, il convient d'enregistrer correctement la date et l'heure du prélèvement, le lieu de prélèvement, les conditions de conservation et les personnes responsables de chaque opération.

Les paramètres pouvant être analysés dans les eaux usées industrielles sont très variés et dépendent du type d'activité industrielle exercée. Parmi les plus courants, on peut citer :

• Solides en suspension.
• Huiles et graisses.
• Demande chimique en oxygène (DCO).
• Demande biologique en oxygène (DBO₅).
• Solides dissous,
• Phosphore total.
• Azote selon la méthode de Kjeldahl.
• Produits de lessive.
• Métaux lourds.
• Couleur.
• pH.
• Conductivité.
• Température.
• Dans certains secteurs industriels, il est également nécessaire d'analyser des composés toxiques spécifiques, des hydrocarbures, des solvants, des tensioactifs ou des micro-organismes pathogènes.

Pour réaliser ces analyses, les laboratoires disposent d'équipements spécifiques tels que des pH-mètres, des conductimètres, des turbidimètres, des spectrophotomètres, des oxymètres, des respiromètres, des étuves de séchage et des systèmes de filtration.

Dans certains cas, on recourt à des techniques instrumentales avancées, telles que la chromatographie ou la spectrométrie, destinées à la détermination de polluants spécifiques présents à de faibles concentrations.

Les résultats d'analyse obtenus servent de base pour définir la stratégie de traitement la plus appropriée et permettent d'établir des bilans de matières, d'estimer les charges polluantes et de définir les rendements attendus en matière d'épuration.

4. Essais et tests en laboratoire

Outre la caractérisation analytique classique, la conception d'une station d'épuration des eaux usées industrielles nécessite la réalisation d'essais de traitabilité en laboratoire. Ces essais ont pour objectif de reproduire à petite échelle les différents procédés d'épuration et d'évaluer le comportement réel de l'effluent face à différentes technologies de traitement.

Ces tests permettent :

• Déterminer les rendements prévisibles en matière d'élimination des polluants.
• Optimiser les dosages des réactifs.
• Évaluer la biodégradabilité de l'effluent.
• Sélectionner les technologies les plus adaptées d'un point de vue technique et économique.

Parmi les essais les plus courants, on peut citer les tests de réglage du pH, de coagulation et de floculation, destinés à déterminer les conditions optimales de séparation des solides et des matières colloïdales. Au sein de ce groupe d’essais, le « Jar Test » est un outil essentiel pour sélectionner les réactifs les plus efficaces et établir les dosages les plus adaptés.

Par ailleurs, des essais de sédimentation et de flottation DAF sont réalisés afin d'évaluer la capacité de séparation des matières en suspension et des graisses, ainsi que des essais de biodégradabilité visant à déterminer la faisabilité de la mise en œuvre de traitements biologiques aérobies ou anaérobies.

Lorsque des traitements avancés sont nécessaires, on procède également à des essais de filtration à l'aide de médias granulaires ou de membranes, ainsi qu'à des essais d'oxydation avancée et de désinfection à l'aide d'oxydants chimiques ou de rayons ultraviolets.

Un autre aspect important concerne la gestion des boues générées au cours du processus d'épuration. C'est pourquoi des essais spécifiques de déshydratation sont menés afin de choisir les systèmes de séchage mécanique (filtre-presse) les plus adaptés et d'estimer la production finale de déchets.

La réalisation d'essais pilotes, tant en laboratoire que directement sur le site du client, permet de valider les résultats obtenus et d'ajuster avec plus de précision la conception définitive de la station d'épuration.

5. Définition et description du processus approprié : chaîne de traitement

Une fois la phase de caractérisation et d'essais terminée, on procède à la définition de la filière de traitement la plus adaptée à l'effluent étudié. Cette définition repose sur les résultats d'analyse obtenus et sur l'expérience technique acquise dans des installations similaires.

La configuration de la ligne de traitement dépend de nombreux facteurs, parmi lesquels :

• La nature du déversement.
• Le débit à traiter.
• La variabilité de la pollution.
• Les contraintes liées à l'espace disponible.
• Les exigences de qualité requises pour le rejet final ou la réutilisation de l'eau traitée.

Dans la plupart des cas, le traitement commence par une étape de prétraitement visant à éliminer les matières solides grossières, le sable, les graisses et autres matières flottantes susceptibles d'entraver les étapes suivantes.

On intègre ensuite généralement un système d'homogénéisation et de neutralisation qui permet d'amortir les variations de débit et de pollution, ainsi que d'ajuster le pH aux valeurs appropriées pour les traitements ultérieurs.

En fonction des caractéristiques des effluents, il peut s'avérer nécessaire de recourir à des traitements physico-chimiques basés sur la coagulation, la floculation, la précipitation et la flottation à l'air dissous (DAF), particulièrement efficaces pour éliminer les solides en suspension, les huiles, les graisses et les matières colloïdales.

Lorsque les effluents présentent une charge biodégradable élevée, on recourt à des procédés biologiques aérobies ou anaérobies visant à réduire la matière organique dissoute. Dans certaines applications industrielles, il est possible d'utiliser des réacteurs biologiques de pointe, tels que les systèmes MBR, les traitements de nitrification-dénitrification, les traitements MBBR ou les technologies d'oxydation avancée.

Enfin, lorsque des niveaux élevés de qualité de l'eau traitée sont requis, on recourt à des traitements tertiaires consistant en une filtration, des membranes, du charbon actif ou une désinfection par rayonnement ultraviolet ou par des oxydants chimiques.

La chaîne de traitement ainsi mise en place doit garantir le respect des limites de rejet fixées, tout en respectant des critères adéquats en matière d'efficacité énergétique, de flexibilité opérationnelle et de réduction des coûts d'exploitation.

6. Dimensionnement des équipements de traitement des effluents

Une fois la ligne de traitement définie, on procède à la conception et au dimensionnement des équipements qui composeront la station d'épuration. Ce dimensionnement s'effectue à partir des débits mesurés, des charges polluantes calculées et des rendements obtenus lors des essais en laboratoire et des essais pilotes.

La conception hydraulique tient compte à la fois des débits moyens de fonctionnement et des pics maximaux prévisibles, en fixant les temps de rétention nécessaires pour chaque opération unitaire. Parallèlement, la conception du procédé prend en compte les charges massiques de polluants, la production de boues et les besoins en réactifs, en air et en énergie.

Au cours de cette phase, on détermine les volumes et les dimensions des bassins d'homogénéisation, de neutralisation et de réaction, ainsi que les dimensions appropriées des équipements de flottation, de décantation, des réacteurs biologiques, des filtres et des systèmes de déshydratation des boues.

Sont également sélectionnés les groupes de pompage, les systèmes d'agitation, les compresseurs, les soufflantes et les équipements de dosage chimique, ainsi que l'ensemble des instruments nécessaires au contrôle automatique de l'installation, notamment les débitmètres, les pH-mètres, les oxymètres, les capteurs redox et les systèmes de surveillance par automates programmables.

Le projet comprend également la réalisation des études techniques de base et détaillées, des plans de construction, des schémas hydrauliques et électriques, des plans de génie civil ainsi que la programmation des systèmes d'automatisation et de contrôle.

La conception dans son ensemble doit tenir compte des variations saisonnières éventuelles de la production, de la flexibilité future de l'installation et de l'optimisation des coûts d'exploitation et de maintenance, tout en garantissant des niveaux élevés de fiabilité et de sûreté d'exploitation.

7. Conclusions

La caractérisation et l'analyse des eaux usées industrielles constituent une étape essentielle dans l'élaboration de tout projet de traitement des effluents. L'identification correcte des caractéristiques du rejet, associée à la réalisation d'essais de traitabilité et d'essais pilotes, permet de définir des solutions techniques adaptées aux besoins spécifiques de chaque secteur industriel.

Les exigences réglementaires de plus en plus strictes en matière d'environnement imposent de disposer d'installations toujours plus efficaces et fiables, capables de garantir le respect des limites de rejet tout en maintenant des coûts d'exploitation raisonnables et des niveaux élevés de durabilité.

Dans ce contexte, la combinaison d’une expertise technique, d’analyses rigoureuses et de technologies judicieusement choisies est essentielle pour concevoir des installations de traitement robustes, flexibles et capables de répondre aux exigences actuelles et futures en matière de gestion des eaux usées industrielles.

Bibliographie et consultations

UNE-EN 12255. Stations d'épuration des eaux usées. Spécifications techniques pour la conception et l'exploitation des stations d'épuration.

Ministère de la Transition écologique et du Défi démographique. Protocole d'inspection des rejets d'eaux usées. Gouvernement espagnol.

Décret-loi royal n° 1/2016 du 16 décembre, portant approbation du texte refondu de la loi sur la prévention et la maîtrise intégrées de la pollution.

Décret royal n° 849/1986, du 11 avril, portant approbation du règlement relatif au domaine public hydraulique.

« Quelle est la réglementation relative aux eaux usées industrielles en Espagne ? ». Documentation technique et réglementation sectorielle sur les rejets industriels et la surveillance environnementale.

Metcalf & Eddy. Ingénierie des eaux usées : traitement et valorisation des ressources. McGraw-Hill Education.

Tchobanoglous, G. ; Burton, F. ; Stensel, H. Caractérisation des eaux usées : l'importance des analyses en laboratoire dans la conception des stations d'épuration. Références techniques sur la caractérisation et la conception des stations d'épuration.

APHA-AWWA-WEF. Méthodes normalisées d'analyse de l'eau et des eaux usées. Association américaine de santé publique.

UNE-EN ISO 5667. Qualité de l'eau. Échantillonnage. Règles pour le prélèvement et la conservation d'échantillons d'eaux usées.