Les stations d'épuration

Principe de fonctionnement

  Une station d’épuration est installée généralement à l’extrémité d’un réseau de collecte des effluents (eaux usées domestiques et urbaines et, par extension, les eaux usées industrielles ou agricoles) et juste en amont de la sortie des eaux qui seront épurées.

Les premiers traitements sont présents dans toutes les stations, ils consistent en : 

• un dégrillage : passage des eaux au travers d'une grille retenant les éléments les plus grossiers qui seront éliminés avec les ordures ménagères.

• un dessablage, dégraissage, déshuilage : élimination des sables qui sont déposées et des graisses qui flottent et seront raclées en surface.                                                                                                                                        

Pour enlever les matières restantes, on utilise différents systèmes faisant intervenir :

• des micro-organismes (pour les matières biodégradables),

• et/ou des composés chimiques.
   

Le schéma ci dessous résume pour le système le plus couramment utilisé les différentes étapes du traitement des eaux :

Les systèmes d'épuration 

1. Les systèmes biologiques

L'élimination des composés organiques :
  Ils utilisent des bactéries aérobies qui dégradent rapidement par voie oxydative les composés organiques contaminant l’eau.  Ces micro-organismes ont une activité pratiquement illimitée. Ils sont capables de transformer nombre de molécules organiques ou minérales grâce à leur extrême richesse en enzymes qui catalysent les réactions nécessaires d’une part, à leur respiration, d’autre part à la synthèse de la matière vivante par biodégradation du milieu.

L'élimination de l'azote :
  L'azote organique se transforme dans les eaux usées en azote ammoniacal (NH_4⁺). L'élimination de l'azote ammoniacal est, le plus souvent, obtenue grâce à des traitements biologiques, de « nitrification-dénitrification ». La nitrification consiste en une transformation, par des cultures bactériennes, de l'azote ammoniacal en nitrates (NO₃), une forme oxydée de l'azote. Une seconde phase, la dénitrification, complète le processus. Les nitrates, sous l'action de bactéries « dénitrifiantes », sont transformés en azote gazeux. Ce gaz s'échappe alors dans l'atmosphère.

L'élimination du phosphore :
  La déphosphatation biologique consiste à provoquer l'accumulation du phosphore dans les cultures bactériennes des boues. Le rendement moyen est d'environ 60 %.
Sur  SIG -Beauce les stations d'épuration sont repérées en fonction de leur système d'épuration 

1. Les systèmes biologiques

                   - transformer l’azote en nitrates puis les nitrates en azote gaz,
                   - stocker le phosphore.
  La séparation de l’eau traitée de la masse des bactéries (que l’on appelle « boues ») se fait dans un bassin spécifique : le  "clarificateur".
 Pour conserver un stock constant et suffisant de bactéries dans le bassin de boues activées, une grande partie des boues extraites du clarificateur est ensuite renvoyée dans le bassin.
La plupart des stations d’épuration municipales fonctionnent selon ce principe.

•   Le décantateur-digesteur :  Les matières en suspension tombent par gravité, décantation. Les microorganismes se développent naturellement.

•   Les filtres à sable (FS) :  L’eau traverse un massif de sable qui la filtre, des bactéries épuratrices se développent et complètent cette filtration.

•  
    Les filtres à roseaux :  Les eaux  usées sont traitées dans un bassin à deux étages de graviers planté de roseaux. Les bactéries agissent au niveau des graviers, la présence des roseaux permet d'aérer les eaux  . Ainsi depuis la route on aperçoit les roseaux de la station de Loury 

   
  

Détail d'un bassin

•   Les procédés biologiques à cultures fixées : les biofiltres et les lits bactériens

   Le principe de ces procédés consiste à faire percoler l’eau à traiter à travers un matériau sur lequel les bactéries se développent constituant alors un biofilm sur ce support. 

         - lit bactérien (des galets ou des supports alvéolaires) : les eaux usées décantent sur un lit bactérien poreux  L'aération est donnée par l'oxygène de l'air. Le biofilm qui se forme se détache et tombe au fur et à mesure de sa formation.

          - les biofiltres (des argiles cuites, des schistes, du polystyrène, des graviers ou des sables),  le développement  des bactéries se fait sur des disques. Le biofilm obtenu dans ce cas  reste accroché aux filtres.

 
 2.  Les traitements physico-chimique:

Ils permettent d'agglomérer les particules par :

• coagulation

• floculation

 qui seront ensuite éliminées par décantation ou flottation.

  Certaines stations d'épuration n'utilisent que des traitements physico-chimiques (environ une centaine d'unités en France). Elles sont adaptées aux contextes touristiques saisonniers où les variations de charge peuvent être très brutales sur une courte période et permettent d’enlever jusqu’à 90 % des matières en suspension : La pollution dissoute n’est que très partiellement traitée.
  Remarque : l'élimination du phosphore se fait par l'adjonction de réactifs, comme des sels de fer ou d'aluminium, et permet d'obtenir une précipitation de phosphates insolubles et leur élimination par décantation. Ces techniques, les plus utilisées actuellement, éliminent entre 80 et 90 % du phosphore, mais engendrent une importante production de boues.

3.  Le lagunage naturel

 Il est utilisé pour les assainissements collectifs de petite dimension, l'eau usée subit des pré-traitements (dégraisseurs, déshuileurs, dessableurs...) puis elles circulent lentement par gravité dans une succession de bassins (appelés lagunes) peu profonds. Au cours de ce cheminement, la dégradation de la matière organique est assurée principalement par des micro-organismes aérobies (qui ont besoin d'oxygène pour vivre). Les premiers bassins sont des bassins à micro-organismes, où est dégradée la matière organique (microphytes) contenue dans les eaux usées. Le dernier bassin contient des iris, roseaux, joncs. (macrophytes) qui absorbent (pour leur croissance) les éléments minéraux issus de la dégradation de la matière organique,le rayonnement solairepeut aussi éliminer des contaminants biologiques

La mesure des performances de l’épuration

 Pour comparer les teneurs en polluants des eaux usées et des eaux épurées on utilise plusieurs indicateurs

•  Les matières en suspension (MES) : matières minérales ou organiques non dissoutes mesurées en mg/L.

•  Les matières organiques présentes sous forme particulaire et dissoute, on les mesure indirectement par :
                                  - la demande biochimique en oxygène (DBO), mesurée en mg O₂/L (comme on la mesure pendant 5 jours (réaction lente), on parle de D.B.O₅  mesurée en mg O₂/L) : c'est la quantité de dioxygène qu'il faut fournir à un échantillon d'eau pour minéraliser les matières organiques biodégradables contenues dans celle-ci par oxydation par des bactéries aérobies. La consommation en dioxygène provient de deux réactions:
       - une oxydation lente par voie chimique des composés organiques ou minéraux réducteurs en présence d’oxygène dissous.

       - une consommation d'oxygène par les micro-organismes présents dans le milieu pour métaboliser les matières organiques assimilables
                                       
                                         - la demande chimique en oxygène (DCO), mesurée en mg O₂/L. C'est la quantité globale d’oxygène nécessaire à la dégradation de certaines matières organiques (très difficilement biodégradables par les micro-organismes) par oxydation avec un oxydant chimique fort.

                                            -  l’azote et le phosphore  mesuré en mg/L

                                            - les contaminants biologiques (bactéries, parasites) : mesuré en nombre/mL

Ces différents paramètres permettent de définir : l’Equivalent Habitant (ou l’E.H )

  Il exprime la charge polluante contenue dans 180 litres d’eau usée c’est-à-dire la production d’un habitant et pour un jour.
  Un  Equivalent Habitant correspond à : 60g de D.B.O₅ , 135g de D.C.O,  9,9g d’azote, 3,5g de phosphore.
  Cette unité  permet  de  déterminer le dimensionnement des stations  en fonction de la taille des agglomérations donc de la charge polluante.

                                La conséquence du traitement : les boues usées

  Le traitement des eaux usées produit :
          - une eau épurée, rejetée en aval de la station, dans le milieu naturel (rivière, fleuve ..),

          - un concentrat  désigné sous le terme de "boues" ou "boues résiduaires". On distingue alors : 

• Les boues physico-chimiques produites dans les stations physico-chimiques. Les floculants minéraux ajoutés se retrouvent aussi dans ces boues.
  

• Les boues dites primaires résultent de la simple décantation des matières en suspension contenues dans les eaux usées brutes. Elle ne sont pas stabilisées. Les stations ne traitant que la pollution particulaire sont de plus en plus rares en France, ou alors associées à des filières complémentaires de traitement.
  

• Les boues secondaires sont formées à partir de la charge polluante dissoute utilisée par les cultures bactériennes libres ou fixées en présence d'oxygène (aération de surface ou insufflation d'air).
  

• Les boues "mixtes" (primaires et secondaires) : elles subissent un traitement de stabilisation biologique aérobie dans des ouvrages épuratoires.
  

• Les boues de lagunage : boues accumulées au fond des bassins, curées annuellement, ou tous les deux ans, dans la première zone d'accumulation des dépôts, et une fois tous les cinq ou dix ans pour les autres bassins.
  

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