Le traitement des eaux usées est l’ensemble des procédés visant à dépolluer l’eau usée avant son retour dans le milieu naturel ou sa réutilisation. Les eaux usées sont les eaux qui à la suite de leur utilisation domestique, commerciale ou industrielle sont de nature à polluer les milieux dans lesquels elles seraient déversées. C'est pourquoi, dans un souci de protection des milieux récepteurs, des traitements sont réalisés sur ces effluents collectés par le réseau d'assainissement urbain ou privé. L'objectif des traitements est de minimiser l'impact des eaux usées sur l'environnement. Lorsque les eaux traitées sont réutilisées, on parle de recyclage des eaux usées.
À l'échelle mondiale, le traitement des eaux usées constitue le premier enjeu de santé publique : plus de de moins de meurent chaque jour de diarrhées liées à l’absence de traitement des eaux et au manque d’hygiène induitAppel de l'OCDE à investir dans le traitement des eaux usées, infos-eau.blogspot.com.
Les traitements peuvent être réalisés de manière collective dans une station d'épuration ou de manière individuelle, on parle alors de traitement des eaux décentralisé. La plupart des procédés intensifs de traitement fonctionnent selon les mêmes processus de base, mais des différences plus ou moins importantes peuvent exister dans la manière de mettre en place ces processus. Le traitement se divise généralement en plusieurs étapes.
Il existe également des procédés dits extensifs de traitement plutôt adapté aux charges réduites. On distingue les cultures libres : lagunage ; et les cultures fixées : Infiltration-percolation, filtre planté, marais filtrant à écoulement vertical ou horizontal.
vignette|upright|Schéma du cycle de traitement des eaux usées
Histoire Des hommes préhistoriques ont disposé leurs campements près de cours d'eau et de lacs, l'eau leur servant comme boisson, moyen de transport, source d'énergie mais aussi comme moyen d'assainissement.
Durant l'Antiquité égyptienne, on utilisait du sable; les Minoens de Crète disposaient déjà d’un système d’égouts fonctionnant à l’eau environ avant notre ère. Les Romains construisaient des conduites qui évacuaient les déchets et les eaux de pluie et utilisaient la phytoremédiation avec des plantes des marais pour leur Cloaca Maxima. Ils se servaient également des eaux usées comme engraisAnne-Cécile Bras, « Les plantes : ces dépolluants extraordinaires ! », émission C'est pas du vent sur RFI, 5 novembre 2011.
Au Moyen Âge, le développement anarchique des villes rend difficile la mise en place de réseaux d'égouts.
Le traitement des eaux usées qui sépare les solides et les liquides est historiquement récent et est lié à la croissance démographique importante dans les villes consécutive à la révolution industrielle. La décomposition des matières organiques est étudiée dans les années 1920, ce qui permet de développer l'épuration biologique. Les liquides sont dépollués et réutilisés, et les boues restantes incinérées ou enfouies. L’assainissement nécessite une infrastructure complexe et de grandes quantités d’eau.
Prétraitement thumb|Usine d'épuration Le prétraitement consiste en trois étapes principales qui permettent de supprimer de l'eau les éléments qui gêneraient les phases suivantes du traitement. Toutes les stations d'épuration ne sont pas forcément équipées des trois, seul le dégrillage est généralisé, les autres sont le dessablage et le déshuilage.
alt=Dégrilleur en entrée de station d'épuration.|gauche|vignette|Dégrilleur en entrée de station d'épuration.
Dégrillage et tamisage Le dégrillage et le tamisage permettent de retirer de l'eau les déchets insolubles tels que les branches, les plastiques, serviettes hygiéniques En effet, ces déchets ne pouvant pas être éliminés par un traitement biologique ou physico-chimique, il faut donc les éliminer mécaniquement. Pour ce faire, l'eau usée passe à travers une ou plusieurs grilles dont les mailles sont de plus en plus serrées. Celles-ci sont en général équipées de systèmes automatiques de nettoyage pour éviter leur colmatage, et aussi pour éviter le dysfonctionnement de la pompe (dans les cas où il y aurait un système de pompage).
Dessablage Le dessablage permet, par décantation, de retirer les sables mélangés dans les eaux par ruissellement ou amenés par l'érosion des canalisations. Ce matériau, s'il n'était pas enlevé, se déposerait plus loin, gênant le fonctionnement de la station et provoquant une usure plus rapide des éléments mécaniques comme les pompes. Les sables extraits peuvent être lavés avant d'être mis en décharge, afin de limiter le pourcentage de matières organiques, la dégradation de celles-ci provoquant des odeurs et une instabilité mécanique du matériau.
Dégraissage C'est généralement le principe de la « flottation par air dissous » qui est utilisé pour l'élimination des huilesFlottation par air dissous (FAD), sur emse.fr, consulté le 2 novembre 2017. Son principe est basé sur l'injection de fines bulles d'air dans le bassin de déshuilage, permettant de faire remonter rapidement les graisses en surface (les graisses sont hydrophobes). Leur élimination se fait ensuite par raclage de la surface. Il est important de limiter au maximum la quantité de graisse dans les ouvrages en aval pour éviter par exemple un encrassement des ouvrages, notamment des canalisations. Leur élimination est essentielle également pour limiter les problèmes de rejets de particules graisseuses, les difficultés de décantation ou les perturbations des échanges gazeux.
Le dessablage et le déshuilage se réalisent le plus souvent dans un même ouvrage : l'eau polluée se déplaçant lentement, pendant que les sables décantent au fond les graisses remontent en surface.
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Traitement primaire
alt=Diagramme d'une station de traitement des eaux usées.|vignette|Diagramme d'une station de traitement des eaux usées. alt=Diagramme d'une station de traitement des eaux usées.|vignette|Synoptique d'une station de traitement des eaux usées. En épuration des eaux usées, le traitement primaire est une simple décantation qui permet de supprimer la majeure partie des matières en suspension. Ce sont ces matières qui sont à l'origine du trouble des eaux usées.
L'opération est réalisée dans des bassins de décantation dont la taille dépend du type d'installation et du volume d'eau à traiter. De la même manière, le temps de séjour des effluents dans ce bassin dépend de la quantité de matière à éliminer et de la capacité de l'installation à les éliminer.
La décantabilité des matières dans un bassin est déterminée par l'indice de Mohlman. Cet indice est déterminé chaque jour dans les stations d'épuration importantes afin de vérifier le bon fonctionnement du système.
À la fin de ce traitement, la décantation de l'eau a permis de supprimer environ 60 % des matières en suspension, environ 30 % de la demande biologique en oxygène (DBO) et 30 % de la demande chimique en oxygène (DCO). Cette part de DBO supprimée était induite par les matières en suspension. La charge organique restant à traiter est allégée d'autant.
Les matières supprimées forment au fond du décanteur un lit de boues appelé « boues primaires ».
Le traitement primaire des eaux usées domestiques tend à disparaître en France avec la généralisation du traitement secondaire à boues activées qui comporte déjà une étape de décantationFonctionnement d'une station d'épuration à boues activées, sur ademe.fr. C'est notamment le cas lorsque les effluents sont régulièrement dilués par des eaux de pluie et donc moins décantables. Il est alors plus économique de se passer de traitement primaire et de surdimensionner le traitement secondaire.
Traitement secondaire alt=La station de traitement des eaux usées de Moscou Kuryanovo.|vignette|La station de traitement des eaux usées de Moscou Kuryanovo. Le traitement secondaire se fait le plus couramment par voie biologique, mais une voie physico-chimique peut la remplacer ou plus souvent s'y ajouter pour favoriser la floculation et coagulation des boues ou permettre, par exemple, la fixation des phosphates.
Traitement par voie biologique
Les différents traitements sont :
Traitement des composés organiques Le traitement biologique le plus simple consiste à éliminer les composés organiques tels que sucres, graisses et protéines qui sont nocifs pour l'environnement, puisque leur dégradation implique la consommation de dioxygène, dissous dans l'eau, alors qu'il est indispensable à la survie des animaux aquatiques. La charge en polluants organiques est mesurée communément par la DBO5 (demande biologique (ou biochimique) en oxygène sur cinq jours) ou la demande chimique en oxygène (DCO). Les bactéries responsables de la dégradation des composés organiques sont hétérotrophes. Pour accélérer la dégradation des composés organiques, il faut apporter artificiellement de l'oxygène dans les eaux usées.
Nitrification Si les réacteurs biologiques permettent un temps de contact suffisant entre les effluents et les bactéries, il est possible d’atteindre un second degré de traitement : la nitrification. Il s’agit de l’oxydation de l’ammoniaque en nitrite, puis en nitrate par des bactéries nitrifiantes → par nitrosomonas ; → par nitrobacter.. L’ammoniaque est un poison pour la faune piscicole. Les bactéries nitrifiantes sont autotrophes (elles fixent elles-mêmes le carbone nécessaire à leur croissance dans le de l’air). Elles croissent donc beaucoup plus lentement que les hétérotrophes. Une station d'épuration doit d’abord éliminer les composés organiques avant de pouvoir nitrifier. (Voir aussi : Cycle de l'azote)
Dénitrification Une troisième étape facultative consiste à dénitrifier (ou dénitrater) les nitrates résultants de la nitrification. Cette transformation peut se faire en pompant une partie de l’eau chargée de nitrates de la fin de traitement biologique et en la mélangeant à l’eau d’entrée, en tête de traitement. La dénitrification se passe dans un réacteur anoxique, en présence de composés organiques et de nitrates. Les nitrates (nutriments à l’origine de l’envahissement d’algues dans certaines mers, en particulier la Mer du Nord) sont réduits en diazote (N2) qui s’échappe dans l’air. La dénitrification se fait généralement, sur les petites stations d'épuration, dans le même bassin que la nitrification par syncopage (arrêt de l'aération, phase anoxie). Cette étape tend à se généraliser pour protéger le milieu naturel.
Traitement par voie physico-chimique alt=Vue aérienne de clarificateurs.|vignette|Vue aérienne de clarificateurs. Il regroupe l'aération et le brassage de l'eau mais aussi une décantation secondaire (dite aussi clarification).
À partir de ce dernier élément, l'eau clarifiée est rejetée (sauf traitement tertiaire éventuel) et les boues décantées sont renvoyées en plus grande partie vers le bassin d'aération, la partie excédentaire étant dirigée vers un circuit ou un stockage spécifique.
Le traitement secondaire peut comporter des phases d'anoxie (ou une partie séparée en anoxie) qui permet de dégrader les nitrates.
Déphosphoration Pour limiter l'écotoxicité des rejets d'eaux usées un traitement du phosphore est généralement demandé sur les stations supérieures à habitant. Il peut être demandé sur des plus petites stations d'épuration suivant la sensibilité du milieu récepteur. Les sources géologiques de phosphore ayant été surexploitées sa récupération commence aussi à être un enjeu économique et industriel.
Cinq types de traitement sont possibles : Traitement physique : des filtres ou membranes retirent le phosphore de l'eau ; Traitement chimique : des sels forment des précipités insolubles récupérables (au fond du bassin) ; des composés chimiques à base de calcium ou de fer peuvent être utilisés. Cette méthode reste assez coûteuse et peut accroître le volume de boue à traiter et la consommation d'oxygène ; Traitement physique et chimique ;