INSTALLATIONS DANS LA REGION DES CARAIBES

Des cribles sont utilisés pour tous les types de traitement dans la Région des Caraïbes. Des compartiments pour l’élimination des corps étrangers sont utilisés dans certaines stations d’épuration conventionnelles plus grandes. La station d’épuration à San Fernando, Trinité, ainsi que celles de Dos Cerritos et Mariposa au Venezuela, utilisent un compartiment pour l’élimination des corps étrangers

Millette, E.M. 1992; Sweeney, V. 1996; U.S. EPA 1992; Water Environment Federation & American Society of Civil Engineers 1992.

Les méthodes de traitement primaire précèdent souvent les procédés de traitement secondaires ou biologiques dans les structures de traitement des eaux d’égouts conventionnelles secondaires. Le principal objectif du traitement primaire est de réduire les concentrations de DOB et de matières solides en suspension pour les procédés de traitement en aval. Réduire ces concentrations réduit en même temps les coûts pour l’aération des stations de boue activée et le volume des déchets de boue activée générés par le second traitement. Certaines stations de traitement n’ont pas besoin d’utiliser de bassins de sédimentation primaire. Dans de telles stations, les matières solides sont éliminées par des procédés ultérieurs.

Les bassins de sédimentation sont utilisés comme procédés de traitement primaire pour la plupart des stations d’épuration conventionnelles pour les eaux résiduaires domestiques et dans certains cas, pour des eaux résiduaires industrielles. Le procédé DAF est principalement utilisé pour les eaux d’égouts industrielles qui contiennent des huiles, des graisses et d’autres matières solides facilement flottantes. Les raffineries de pétrole, les usines d’empaquetage de la viande et des produits laitiers utilisent fréquemment les procédés DAF comme traitements primaires.

CRITERES DE CONCEPTION

Bassins de sédimentation

• Un taux de débordement de surface (flux/ surface du bassin) de 0,8 à 1,5 m/ heure pour une conception de flux moyen est une valeur acceptée aux Etats-Unis.

• Les bassins de sédimentation devraient avoir une profondeur de 2 à 5 m.

• Les bassins rectangulaires et circulaires sont très répandus.

• Un temps de détention de 20 à 30 minutes est approprié pour la séparation des matières solides.

• D’autres critères importants de conception sont la pression, le ration de recyclage, et la concentration et les caractéristiques des matières solides affluentes.

EFFICACITE DE RENDEMENT

Un bassin de sédimentation conventionnel élimine 25 à 40 % de l’affluence de DOB, 40 à 70% du total des matières solides en suspension et environ 50% du taux de bactéries. Les procédés DAF peuvent produire un effluent qui ne contient pas plus que 1 à 20 mg d’huile par litre.

Les procédés de traitement DAF ont un fonctionnement plus complexe et consomment plus d’énergie que les simples bassins de sédimentation. Les procédés DAF sont habituellement sélectionnés lorsque les bassins de sédimentation ne fournissent pas une élimination appropriée des matières solides légères et des huiles. Dans les bassins de sédimentation primaire, la boue (qui contient beaucoup de matières organiques) devrait être évacuée rapidement avant que les processus de dénitrification ne produisent du nitrogène gazeux, qui pourrait remettre en suspension certaines matières solides.

Des matières solides, des scories et des huiles sont les principaux résidus recueillis dans les traitements primaires. Les volumes produits dépendent du volume de déversement des eaux d’égouts. De la composition des eaux d’égouts et de l’efficacité du traitement. Pour des eux d’égouts de concentration moyenne, le volume de boue généré dans un bassin de sédimentation primaire est d’environ 0,10 à 0,17 kg/ m³ d’eaux d’égouts

Bien que les procédés de traitement primaire mécanique soient relativement simples, un entretien de routine est nécessaire. Pour les bassins de sédimentation primaire, l’entretien principal consiste en l’entretien des pompes, des rabots de boue, des collecteurs de scories et des moteurs. Les procédés DAF exigent un plan d’entretien plus intensif pour les pompes pressurisées, les détendeurs et les systèmes de collecte.

Les bassins de sédimentation sont utilisés dans la plupart des systèmes de traitement mécanisés conventionnels. Les systèmes DAF sont principalement utilisés dans les stations d’épuration pour les déchets des raffineries de pétrole et de l’industrie pétrochimique.

Bryant, J.S. 1991; Eckenfelder, W.W. 1989; Engelder, C.L. 1993; Millette, E.M. 1992; Rhee, C.H. 1988; Sweeney, V. 1996; Water and Environment Federation & American Society of Civil Engineers 1992.

Dans les procédés de traitement secondaire, les bactéries aérobies, anoxies et anaérobies s’alimentent sur les matières organiques des eaux résiduaires et transforment les DOB en masse bactériennes. Les bactéries aérobies, qui sont le type de bactéries le plus communément utilisé pour les traitements secondaires, consomment les matières organiques uniquement lorsqu’il y a présence d’oxygène. Les bactéries anoxies et anaérobies n’ont pas besoin d’oxygène mais les procédés aérobies produisent des effluents de meilleure qualité. Pour cette raison, et parce que les traitements anaérobies et anoxies peuvent produire de mauvaises odeurs, les procédés aérobies sont de loin les procédés de traitement secondaire les plus courants pour les grandes stations d’épuration. Ce sont les seuls procédés décrits dans cette feuille descriptive.

Tous les procédés de traitement secondaire ont les caractéristiques suivantes en commun :

• Dans la première phase, les bactéries du traitement sont mises en contact avec les matières organiques solubles et en suspension. Les eaux d’égouts sont alors dirigées dans un bassin bien mélangé qui contient les organismes de traitement (un système de «croissance en suspension» ou sont alors écoulées au-dessus d’une surface fixe sur laquelle les bactéries se multiplient. ( système à «culture fixée»).

• Dans les systèmes de «croissance en suspension», les bactéries aérobies ont besoin d’assez d’oxygène pour métaboliser les matières organiques dans les eaux d’égouts. Celle-ci est fournit par un gazéificateur mécanique, un diffuseur ou d’autres procédés. Les gazéificateurs introduisent l’air ou l’oxygène dans les eaux d’égouts.

• Les bactéries qui métabolisent les matières organiques dans les eaux d’égouts doivent ultérieurement être séparées des flux d’eaux d’égouts. A l’exception des réacteurs séquentiels par bactéries (SBR; Sequencing Batch Reactor), tous les procédés de traitement secondaire décrits dans la présente feuille descriptive ont un bassin de sédimentation séparé pour le dépôt de cette masse de cellules floculées, de la même façon que les bassins de sédimentation primaire qui permettent le dépôt des matières organiques en suspension. Les effluents sont alors évacués ou écoulés vers les procédés de traitement subséquents.

• Dans les systèmes de croissance en suspension, la boue activée est renvoyée du bassin de sédimentation au bassin d’aération qui maintient une concentration viable de bactéries pour métaboliser les matières organiques qui arrivent. Ce procédé s’appelle le renvoi de la boue activée (RAS; Return Activated Sludge). La boue qui est évacuée et n’est pas renvoyée au bassin d’aération s’appelle la boue activée gâchée (WAS; Wasted Activated Sludge). Le renvoi de la boue n’est pas nécessaire pour les systèmes à culture fixée ou les procédés SBR.

Le lagunage est un système naturel qui fournit un traitement secondaire, qui n’est pas examiné ici car des feuilles descriptives lui sont réservées. Les procédé de traitement secondaire inclus dans cette feuille descriptive sont les procédés conventionnels à fort débit qui nécessitent moins de terrains que le lagunage et les marais. Les procédés suivants sont des procédés courants de traitement secondaire à fort débit :

• Boue activée

• Fossé d’oxydation

• Filtre à percolation

• Réacteur séquentiel par bactéries (SBR)

Dans les procédés de boue activée, les eaux résiduaires ou les effluents primaires sont transportés dans un bassin d’aération ou des bulles d’air sont envoyées dans le mélange des eaux résiduaires (liqueur mélangée) et les bactéries aérobies métabolisent les matières organiques dissoutes ou en suspension. Du bassin d’aération, les effluents s’écoulent dans un bassin de sédimentation secondaire où la masse des cellules est isolée. Une partie du dépôt de la biomasse est à évacuée et une partie est renvoyée dans le bassin d’aération pour maintenir une concentration viable de biomasse. Le réacteur par bactéries à fonctionnement séquentiel modifié (MSBR; Modified Sequencing Batch Reactor), une variation du procédé de boue activée élaborée à l’échelle régionale, utilise un bassin unique en terre pour l’aération et la sédimentation de la boue activée. Des bassins séparés de sédimentation et des systèmes de pompe pour le renvoi de la boue activée ne sont pas nécessaires.

Le procédé du fossé d’oxydation est un procédé de boue activée dans lequel les eaux résiduaires s’écoulent dans un canal circulaire au lieu d’un bassin d’aération rectangulaire. L’oxygène n’est pas mélangé d’une façon homogène dans le fossé d’oxydation, comme c’est le cas dans le procédé conventionnel de la boue activée. Il en résulte des zones de réactions variées, ce qui permet un plus grand contrôle de fonctionnement du procédé. La masse cellulaire est déposée à l’écart dans un bassin de sédimentation secondaire et recyclée dans le fossé d’oxydation.

Dans le procédé du filtre à percolation, les effluents primaires sont distribués d’une façon homogène sur un lit circulaire de pierres de la taille du poing et d’une profondeur de 900 à 1 800 mm. Des bactéries, des mycètes et des algues poussent sur la surface des roches. Tandis que les eaux usées s’écoulent entre les roches, les bactéries aérobies métabolisent les matières organiques dans les eaux usées. Tandis que la biomasse se multiplie, le flux d’eaux résiduaire affluent se débarrasse de son surplus, qui se dépose dans un bassin de sédimentation secondaire. Le filtre à percolation n’a pas de recyclage de la boue, mais il a habituellement un ratio élevé de recyclage des effluents – 300 à 500 % du flux d’affluence est recyclé à partir du procédé qui fait suite au filtre ou au bassin de sédimentation et est renvoyé au filtre.

Dans le procédé SBR, toutes les étapes du procédé de traitement prennent place dans un bassin mélangeur complet et unique, dans lequel les effluents sont envoyés par intermittence. Le procédé de traitement consiste en des procédés discrets et réglés dans le temps : :remplissage, mélange/ aération, dépôt, évacuation des effluents et évacuation de la boue. Certains fabricants de SBR combinent ces procédés et développent des cycles à propriétés chronométrées, mais tous les SBR utilisent une combinaison des cinq éléments mentionnés ci-dessus. A l’origine, les SBR étaient seulement utilisés pour les petites structures de traitement. Ces dernières années, il y a eu un regain d’intérêt pour le procédé SBR parce qu’il élimine complètement le besoin de la sédimentation et des pompes RAS.

Ces procédés de traitement secondaires les plus appropriés pour les communautés à forte densité de population parce qu’ils coûtent cher et qu’il exige une main d'œuvre très qualifiée pour leur fonctionnement et leur entretien.

Bien que ces procédés, lorsqu’ils sont utilisés et entretenus convenablement, produisent des effluents de bonne qualité pour des déversements importants, ils produisent des effluents de très mauvaise qualité lorsqu’ils ne sont pas correctement utilisés. Les fossés d’oxydation sont les procédés, parmi ceux décrits dans cette feuille descriptive, qui exigent le plus de superficie de terrains et les procédés SBR sont ceux qui en exigent le moins. Les deux sont appropriés pour les communautés à faible ou moyenne densité de population parce qu’ils sont très fiables. Les filtres à percolation coûtent cher à l’investissement, mais leur coût d’entretien est faible par rapport à celui d’une station à boue activée parce que l’aération n’est pas nécessaire.

CRITERES DE CONCEPTION

Boue activée

• La concentration en matières solides en suspension des eaux résiduaires mélangées varie entre 1500 et 3 000 mg/ l.

• Le temps de détention hydraulique est de 6 à 24 heures.

• Le temps de résidence des matières solides est de 3 à 20 jours.

• Le temps de détention hydraulique est de 24 heures ou plus.

• Le temps de résidence des matières solides est de 10 à 30 jours.

• Les canaux d’écoulement ont une profondeur de 2 à 4 m.

• La vélocité dans les fossés devrait être de 24 à 36 cm/ seconde.

Filtre à percolation

• Les taux de déversement hydraulique peuvent énormément varier. Les filtres à percolation les plus communément utilisés ont un taux de déversement par aire de surface du filtre de 1 à 9,2 m/ jour.

• Le taux de déversement de matières organiques est de 175 à 1000 kg de DOB/ jour/1000 m^3.

• A moins que les moyens de filtrage utilisé soit en matière plastique légère, la profondeur du filtre est de 1 à 3 m. Pour les équipements en matière plastique, la profondeur peut être de 12 mètres.

• Le temps de détention hydraulique varie entre 24 et 40 heures pour la plupart des applications.

• Le temps de rétention des matières solides est de 5 à 40 jours.

EFFICACITE DE RENDEMENT

Les valeurs typiques des concentrations en polluant dans les effluents de traitement secondaire sont résumées dans le tableau ci-dessous :

Les procédés de traitement secondaire exigent habituellement une main d’œuvre très qualifiée pour leur fonctionnement et leur entretien. Ils sont très mécanisés et produisent des effluents de mauvaise qualité si l’appareillage principal ne fonctionne pas correctement. Ces procédés produisent aussi un volume de boue supérieur aux procédés naturels de traitement des eaux d’égouts. Les coûts consécutifs au traitement et à l’évacuation de la boue, associés aux procédés de traitement secondaires, sont importants. Les mouches peuvent s’avérer être une nuisance sérieuse pour les filtres à percolation car elles vivent et se reproduisent à l’intérieur de l’équipement du filtre.

Le traitement secondaire peut produire de 0,10 à 0,15 kg de boue/ jour/ m³ d’eaux d’égouts. Les filtres à percolation produise une quantité de boue similaire. Cette boue contient généralement beaucoup de matières solides volatiles et peut rapidement devenir septique et produire des odeurs nauséabondes si elle n’est pas traitée ou évacuée immédiatement.

Les contraintes d’entretien sont considérables pour les procédés de traitement secondaire. Les procédés SBR mis à part, tous nécessitent le recyclage du flux et/ ou de la boue. alors que les coûts d’investissement et la consommation d’énergie peuvent ne pas être excessifs, l’entretien des pompes est crucial pour un bon fonctionnement. A part le filtre à percolation, tous les procédés requièrent une aération. Celle-ci est habituellement fournie par un souffleur. L’énergie nécessaire au fonctionnement d’un souffleur ou d’un gazéificateur en font l’élément opérationnel unique le plus cher dans un procédé de traitement des eaux usées. Il est nécessaire d’avoir un générateur d’appoint pour le fonctionnement des pompes et des ventilateurs en cas de coupures d’électricité ; si les coupures durent plus que quelques heures, il est prudent d’avoir une source d’énergie d’appoint pour l’équipement des ventilateurs. Un autre aspect du fonctionnement à considérer est la quantité de boue qui sera produite. Tandis que le volume de boue augmente, il est avantageux, financièrement, de traiter la boue avant l’évacuation finale. Ceci résulte en des coûts additionnels d’équipement, de fonctionnement et d’entretien.

La boue activée à aération prolongée est utilisée à la station de Dos Cerritos, Venezuela. Des réacteurs de paquetage à fonctionnement séquentiel modifié (MSBR; Modified Sequencing Batch Reactor) sont utilisés à Arima et à San Fernando, Trinité. De petites stations d’empaquetage à boue activée sont utilisées à travers la Région des Caraïbes.

Millette, E.M. 1992; Sweeney, V. 1996; U.S. Department of Commerce, 1991; U.S. EPA 1980; Water Environment Federation & American Society of civil Engineer 1992.

Les traitements secondaires éliminent les DOB et les matières solides en suspension des flux d’eaux résiduaires. Une élimination partielle du nitrogène et du phosphore a lieu lors du traitement secondaire grâce à l’incorporation dans les déchets de boue. Des procédés spécialisés sont cependant nécessaires pour éliminer des taux plus élevés de nitrogène et de phosphore. Les procédés physiques pour l’élimination du nitrogène incluent la chloruration limite et la déminéralisation par osmose inversée ou d’autres moyens. On parvient généralement à l’élimination chimique du phosphore la précipitation avec des sels minéraux. Une grande variété de procédés biologiques qui utilisent des zones anoxies et anaérobies peuvent être utilisées pour l’élimination du nitrogène et du phosphore. Dans cette feuille descriptive, les trois procédés suivants pour l’élimination des substances nutritives sont discutés

 Le procédé MLE pour l’élimination biologique du nitrogène

 La précipitation chimique pour l’élimination du phosphore

Le procédé A²/O. De nombreux systèmes de traitement éliminent les DOB, les matières solides en suspension et les substances nutritives grâce à l’activité microbiologique. Un procédé typique d’élimination biologique des substances nutritives (BNR; Biological Nutrient Removal) est le procédé A²/O (anaérobie, anoxie, et oxie). Une zone oxie, ou aérée, a de l’oxygène libre (O₂) disponible pour la respiration microbiologie; une zone anoxie a du nitrate et une zone anaérobie n’a aucun de ces éléments.

Le procédé A²/O utilise habituellement le même équipement que les procédés conventionnels à boue activée, avec des zones supplémentaires de réacteurs, au lieu d’une seule, qui sont fournies avant le bassin de sédimentation secondaire. Ces zones peuvent être des bassins séparés ou des zones séparées dans un bassin unique. Les eaux résiduaires ou les effluents des traitements primaires s’écoulent d’abord dans la zone anaérobie, ensuite dans la zone anoxie et finalement dans la zone oxie, avant d’être évacués dans un bassin de sédimentation secondaire, où les cellules es déposent.

Dans la zone oxie, le temps de résidence des matières solides devrait être assez long pour permettre le phénomène de nitrification, la conversion biologique de l’ammoniaque en nitrates. Les effluents de la zone oxie sont recyclés dans la zone anoxie, où les bactéries facultatives dénitrifient le flux recyclé (convertit les nitrates en gaz de nitrogène, qui se libère sans danger dans l’atmosphère). La boue du bassin de sédimentation secondaire est recyclée dans la zone anaérobie. Celle-ci stimule les organismes microbiologistes, en créant ce qui a été appelé une « consommation luxueuse » de phosphore lorsque les cellules arrivent dans la zone oxie. Si l’élimination du phosphore n’est pas nécessaire, la zone d’anérobie n ;est pas nécessaire et l’élimination du nitrogène peut se faire avec deux réacteurs qui utilisent le procédé modifié Ludzak Ettinger (MLE; Modified Ludzak Ettinger).

Le procédé MLE. Le procédé Ludzak-Ettinger modifié (MLE) est un procédé à deux phases pour l’élimination biologique du nitrogène. Dans ce procédé, les liquides mélangés nitrifiés recirculent dans un bassin anoxie où les eaux d’égouts non traitées ou les effluents de traitement primaire sont mélangés avec de la boue renvoyée et le liquide mélangé à recirculation interne. C’est la forme la plus simple des systèmes d’élimination biologique du nitrogène. Les taux typiques de recirculation varient entre 200 et 400% d’effluents clarifiés.

Précipitation chimique. Les sels de métaux sont souvent utilisés pour la précipitation du phosphore des eaux d’égouts. L’alun, le perchlorure de fer et la chaux peuvent être utilisés pour produire des précipitations du phosphore soluble comme des phosphates de métal et des hydroxydes. Les produits chimiques peuvent être ajoutés à l’effluent primaire, au liquide mélangé à la boue activée ou à l’effluent secondaire pour effectuer l’élimination du phosphore soluble.

La plupart des autres procédés biologiques d’élimination des substances nutritives sont des variations de ces procédés. D’autres procédés biologiques pouvant éliminer le nitrogène sont des filtres granulaires à flux ascendant et certains des filtres à sable. Beaucoup de procédés biologiques d’élimination des substances nutritives sont brevetés, ce qui augmente les coûts de construction. Certaines éliminations des substances nutritives se font par des procédés tels que les marais et les lagunes d’oxydation. Pour de plus amples informations sur les caractéristiques de ces procédés de basse technologie pour l’élimination des substances nutritives, veuillez consulter les références mentionnées pour les feuilles descriptives de ces procédés.