Les types d'épuration des rejets aqueux

Règlementation sur les rejets

Les usines soumisent à la règlementation sur les installations classées, sont contraintes à respecter:
- l'arrêté préfectoral autorisant leur activité et qui généralement limite les rejets autorisés
- l'arrêté ministériel du 2 février 1998 relatif aux prélèvements et à la consommation d'eau ainsi qu'aux émissions de toute nature des installations classées qui fixe des limites de rejets pour un grand nombre de substances polluantes.

Neutralisation des effluents alcalins

Par les acides minéraux

Les plus employés sont:
- l'acide chlorhydrique
- l'acide sulfurique
Ces acides introduisent dans l'effluent des sulfates et des chlorures dont le rejet est parfois règlementé.
Des quantités importantes de sulfates dans les traitements biologiques favorisent le développement de bactéries sulfato-réductrices qui utilisent les sulfates pour générer de l'hydrogène sulfuré cause d'odeurs.
De plus, en présence de ces formes réduites du soufre, des bactéries filamenteuses des genres Utrix et Thiotrix qui contrarient la décantation des boues biologiques.

Par le dioxyde carbone (CO2)

Le dioxyde de carbone en se dissolvant dans l'eau forme de l'acide carbonique. Il peut réagir avec les bases telles que la soude pour former des carbonates.
Les avantages du dioxyde de carbone sont:
- Neutralisation plus progressive qu'avec les acides forts minéraux permettant un meilleur contrôle du pH final.
- Manipulation aisée du dioxyde de carbone.
- Inoquité du dioxyde de carbone vis à vis du milieu aquatique.

Elimination des hydrocarbures

Les hydrocarbures strictement composés de carbone et d'hydrogène, on une solubilité dans l'eau généralement faible, et un dispositif destiné à seulement éliminer la partie insoluble de ces composés est souvent satisfaisante.
On peut faire appel à:
- la décantation avec un écrêmage des produits non solubles qui généralement surnagent
- la filtration sur tambour oléophile
- la flottation

Elimination des polluants solubles

Les composés solubles doivent être séparés en deux catégories qui pourront recevoir des traitements différents:
- les composés volatils
- les composés non volatils
Les composés volatils peuvent être:
- des gaz dissous
- des solvants plus volatils que l'eau
- des composés formant avec l'eau un mélange azéotropique volatil
Ils pourront être éliminés par:
- stripping à l'air ou à la vapeur
- évaporation partielle de l'eau
Les composés non volatils devront être éliminés par l'un des moyens suivants:
- extraction liquide/liquide
- adsorption sur charbon actif
- précipitation
- traitement biologique
- incinération de l'eau polluée

Elimination des métaux lourds

Les métaux lourds forment fréquement des hydroxydes insolubles en milieu légèrement alcalin (pH de 8 à 9).
Certains éléments ont une solubilité qui dépend de leur degré d'oxydation.
Il peut être nécessaire de les oxyder (au chlore ou à l'eau oxygénée) ou de les réduire avant précipitation.
La méthode la plus simple consiste donc à amener le pH de l'effluent à traiter entre ces valeurs, et à éliminer par décantation les boues qui se forment.
Les matières ainsi précipitées ne peuvent généralement pas être valorisées.

Si les métaux à éliminer de l'effluent peuvent être recyclés, ils peuvent être extraits sur une résine échangeuse d'ions, qui après régénération fournira une solution concentrée.

Elimination des matières en suspension

La technique la plus simple pour éliminer les matières en suspension est la décantation qui à l'inconvénient d'occuper une surface au sol importante.
La décantation des matières insolubles peut être accélérée par des traitements:
- de floculation
- ou de flottation

Si la décantation est insuffisante ou impraticable, l'effluent peut être filtré.
De très nombreuses techniques sont applicables:
- filtration sur lit de sable
- sur tamis
- sur précouche
- micro filtration ou ultra filtration sur membrane

Réduction de la DCO

La Demande Chimique en Oxygène (DCO), est un des critères principaux de caractérisation du caractère polluant d'un rejet aqueux.
Elle caractérise la concentration globale en composés oxydables, qui rejetés dans le milieu naturel, contribueront au phénomène d'eutrophisation (désoxygènation) des eaux.
Les autres méthodes de caractérisation sont:
- la DBO5 (Demande Biologique en Oxygène en 5 jours)
- le COT (Carbone Organique Total)
Toute technique visant à réduire la teneur en matière oxydable:
- composés organique solubles et insolubles
- composés minéraux
permettra de réduire la DCO du rejet.
L'ultime moyen de réduire la DCO du rejet est le traitement biologique, qui pourra n'être appliqué que si l'effluent à traiter n'est pas toxique pour la flore biologique.

Extraction par solvant

L'effluent est mis en contact intime à contre-courant avec un solvant immiscible approprié, de façon à extraire les impuretés de l'eau.
Le solvant chargé en composés extraits de l'eau est normalement traité par distillation afin de le régénérer.
Ce procédé est intéressant lorsque les impuretés se réduisent à de faibles quantités de produits organiques lourds. Il permet d'éviter la vaporisation de l'eau résiduaire.
Les rendements d'extraction peuvent être >99%.
Des concentrations résiduelles de quelques ppm peuvent être atteintes.
L'extraction peut être menée en colonne ou en mélangeur-décanteur.

Stripping

Ce procédé s'applique aux composés plus volatils que l'eau ou ceux formant un azéotrope avec l'eau.
L'effluent est mis en contact, dans une colonne, avec de la vapeur ou de l'air.
La vapeur a l'avantage de pouvoir être facilement condensée tandis que l'air peut devoir être retraité ensuite.
L'air peut alimenter un incinérateur qui permettra la destruction du polluant.
Le stripping à l'air peut par exemple s'appliquer à l'élimination de traces de :
- chlore
- méthane
- hydrogène sulfuré
- ammoniac
Le stripping à la vapeur peut s'appliquer à l'élimination de traces de solvants qui se trouveront concentrés dans la phase gazeuse et récupérés par décantation après condensation.

Décantation et Flottation

C'est le plus simple et le plus économique des traitements à appliquer à un effluent aqueux contenant des matières insolubles à éliminer.
L'effluent transite dans un bassin plus long que profond, équipé pour extraire en surface les produits plus légers que l'eau (généralement des hydrocarbures) et en fond les produits plus lourds que l'eau (généralement des matières minérales, des matières plastiques, ou des solvants chlorés).
L'eau s'échappe du bassin par une surverse.
L'efficacité de cette technique dépend de:
- la densité des matières à éliminer:
la vitesse de décantation sera plus importante pour les matières dont la différence de densité avec l'eau sera plus grande.
- la taille des particules à éliminer:
les particules les plus fines necessiteront un temps de séjour supérieur aux plus grosses.
La vitesse de décantation de certaines particules peut être accélérée par injection dans le bassin d'air finement dispersé.
Les bulles d'air peuvent se coller à certaines particules et les entrainer dans leur ascension vers la surface de l'eau. C'est la FLOTTATION.

Filtration

La filtration permet de retirer de l'effluent aqueux les particules solides en suspension.
De nombreuses techniques sont disponibles, mais pour le traîtement des rejets aqueux on cherchera à reduire les manipulations.
On emploie fréquement des filtres à sable, qui permettent de traîter des débits importants et peuvent se régénérer par passage de liquide à contre courant.

Floculation et Coagulation

Certains composés minéraux (sels de fer(III) et d'aluminium) ou organiques (polyélectrolytes anioniques ou cationiques), ont la propriété de former dans l'eau des amas volumineux appelés flocs.
Certaines particules très fines décantant très lentement, peuvent être captées agglomérées et entrainées vers le fond par ces flocs.
Les floculants minéraux les plus courants sont:
- le chlorure ferrique (FeCl3)
- le sulfate d'alumine (Al2(SO4)3)
- le chlorure d'aluminium (AlCl3)
- des chlorosulfates basiques d'aluminium
Leur dose d'emploi est de l'ordre de 200mg/m3 d'eau à traiter.

Les floculants organiques sont généralement des polyacrylamide fonctionnalisés avec:
- de l'acide acrylique pour les anioniques
- un groupe ammonium quaternaire pour les cationiques.
Leur dose d'emploi est de l'ordre de 1mg/m3.

Le chlorure ferrique peut aussi agir comme agent précipitant des phosphates ou des sulfures.

Traitement biologique

Un des critères de mesure du caractère polluant des effluents aqueux est la valeur de DCO (Demande Chimique en Oxygène). Il caractérise la quantité d'oxygène qui sera prélevé sur le milieu naturel pour assurer sa dégradation.
Un des moyens efficace pour éliminer les polluants solubles source de DCO est le traitement biologique.
L'effluent aqueux est mis en contact avec une flore bactérienne sous forme d'une boue biologique.
Le traitement peut être fait:
- en présence d'oxygène (traitement AEROBIE)
- ou en l'absence d'oxygène (traitement ANAEROBIE).
Le traitement aérobie est le plus répendu.
En traitement aérobie, la mise en contact de l'effluent avec la masse biologique peut être faite:
- dans un bassin aéré dans lequel la boue biologique est dispersée (procédé à boues activées)
- ou dans une colonne garnie (procédé à lit bactérien)
Les polluants sont dégradés en:
- oxyde de carbone
- eau
- matière biologique supplémentaire.
La boue biologique doit être extraite de l'effluent avant que celui-ci ne soit rejeté.
L'excédent de boue biologique doit être incinérée.

En traitement anaérobie, la boue biologique dégrade les polluants en méthane, hydrogène sulfuré entre autres.
Ce traitement doit obligatoirement être mené en cuve close.
Le gaz produit peut alimenter un réseau de combustible.

Par évaporation

Lorsque le volume d'effluent doit être minimisé, la teneur en eau de l'effluent doit être réduite pour faciliter son incinération, et l'eau récupérée peut être avantageusement recyclée, l'évaporation de l'eau peut être envisagée. La quantité d'énergie nécessaire pour évaporer de l'eau est importante, mais des procédés optimisés permettent de réduite cette dépense. L'évaporateur peut être:

• à effets multiples: la vapeur générée par un étage est utilisée pour chauffer l'étage suivant
• à recompression mécanique de la vapeur (MVR ou CMV):  la vapeur générée est reprise par un compresseur pour servir de fluide chauffant
• à pompe à chaleur: un fluide frigorigène en circuit fermé est utlilisé comme fluide chauffant en se condensant, et comme fluide refroidisseur en se vaporisant.

Par exemple, pour un procédé CMV: l'effluent est préalablement filtré pour éliminer les grosses particules solides, puis préchauffé vers 80°C et enfin l'eau est évaporées sous vide. Un compresseur recomprime la vapeur produite qui est réutilisée pour préchauffer l'effluent à traiter.
La vapeur en se condensant produit une eau pure, réutilisable.
Les résidus non volatils (huiles, graisses, ...) ainsi concentrés sont plus facilement stockés, recyclés ou retraités.
La puissance nécessaire au compresseur est d'environ 60 kW pour traiter 1000 kg/h d'effluent.

La concentration des impuretée présentes tend à augmenter la température d'ébullition de l'eau (retard à l'ébullition). Pour être efficaces, ces procédés optimisés mettent en oeuvre des échanges thermiques avec de faibles approches de température. Leur efficacité peut être limitée si ce "retard à l'ébullition" est trop élevé.