ECOLE POLYTECHNIQUE DE THIES

Département Génie Civil

DIC3

Traitement des eaux

Chap 4: Traitement des eaux usees

Baba NGOM, Ph.D

Enseignant chercheur en Chimie et Environnement
Contacts: bngom@ept.sn, 782936809
 Plan
• Introduction
• Pretraitement
• Traitement primaire
• Traitement secondaire
• Traitement tertiaire
 1. Introduction
• Traitement des eaux: un cascade d’opération unitaire du
génie chimique et biologique pour l’élimination des
polluants.
• Les procédés utilises sont de trois types:
– Physique
– Chimique
– Biologique
• Critères de choix
– Qualité des eaux
– Economie
– Quantité
 2. Pretraitement
• Contrairement aux autres étapes, cette étape
est particulièrement physique.
• Vise à éliminer d’éléments dont la nature ou la
dimension constitueraient une entrave pour les
opérations ultérieures.
• Operations de prétraitement
– Dégrillage
– Dessablage
– Déshuilage
 2.1. Dégrillage
• Plusieurs types de degrillage:
– Predegrillage (30 – 100 mm)
– Dégrillage moyen (10 – 30 mm)
– Dégrillage fin (< 10 mm)
• Base de dimensionnement hydraulique
– Vitesse de passage à travers la grille
– Doit être suffisante pour obtenir l’application des matières sur la
grille:
• Sans provoquer une perte de charge importante
• Ni entrainer un colmatage en profondeur
• Ni occasionner l’entrainement des matières
– Vitesses admises: 0.6 – 1.4 m/s
2.1. Dégrillage
 2.2. Dessablage
• Le dessablage a pour but d’extraire des eaux brutes:
– les graviers
– les sables
– les particules minérales plus ou moins fines.
• Il permet:
– d’éviter les dépôts dans les canaux et conduites et la
surcharge au niveau des stades de traitement suivants
– De protéger les pompes et autres appareils contre
l’abrasion.
 2.2. Dessablage
• Pour les eaux résiduaires issues des industries
métallurgiques ou mécaniques, la séparation peut
se faire :
– soit dans un dessableur raclé de forme circulaire (de
diamètre 5 à 15 m environ) ou carrée
– soit par cyclonage sous pression, à vitesse d’entrée
réduite pour limiter l’abrasion.
• Les sables récupérés sont essorés, lavés puis
envoyés en décharge pour être utilisés selon la
qualité du lavage.
 2.2. Dessablage
• Types de dessableurs
– Dessableurs canaux gravitaires
• La surface longitudinale représente l’une des
caractéristiques principales.
• On distingue:
– Dessableurs couloirs simples
– Dessableurs couloirs à vitesse constante
– Dessableurs carrés
– Dessableurs à insufflation d’air
– Hydrocyclones
2.2. Dessablage
 2.3. Déshuilage
• Moins dense que l’eau, ces polluants sont
éliminés par flottation.
 2.3. Déshuilage
• Types de déshuileurs
– Déshuileur longitudinal
• Adapté pour les effluents chargés
– Déshuileurs flottateurs
• Adapté pour les effluents fortement charges
– Déshuileur lamellaire
• Adapté pour les effluents moyennement chargés en
hydrocarbures.
• Le déshuileur est généralement combine au
dessableur.
 2.3. Déshuilage
• Le déshuileur est généralement combine au
dessableur.
 3. Traitement primaire
• Le traitement primaire fait appel à des techniques
physico-chimique.
• Il vise à retenir le maximum de matières en
suspension présentes dans les eaux usées.
• Techniques
– Décantation
– Clarification
– Flottation
– Précipitation
– Neutralisation
 3.1. Décantation
• Principe
• Décantation classique
• Décantation physicochimique
• Types de décanteur
 3.1.1. Principe
• Les matières en suspension laissées dans un
liquide au repos sont soumises à plusieurs
forces :
– la force de gravité qui est l’élément moteur
permettant la chute de la particule,
– la poussée d’Archimède et,
– les forces de frottement qui ralentissent sa vitesse
de chute.
 3.1.1. Principe
• La décantation a pour but de permettre le dépôt des particules en
suspension dans l’eau.
• Ces particules existent dans l’eau brute.
• Elle peuvent resulter de l’action d’un réactif chimique ajouté
artificiellement:
– coagulation,
– épuration chimique,
– Floculation.
• On distingue deux types de matières décantables :
– les particules grenues qui se sédimentent indépendamment les unes des
autres, avec une vitesse de chute constante ;
– les particules plus ou moins floculées qui résultent d’une agglomération
naturelle ou provoquée.
 3.1.1. Principe
• Exemple de vitesse de décantation de
quelques particules
 3.1.1. Principe
• Selon la concentration on a deux types de décantation
– décantation diffuse
• Lorsque la concentration de matières est faible, le floc dispersé
décante comme s’il était seul
– décantation en piston
• Pour des concentrations élevées, l’abondance des flocs crée une
décantation d’ensemble freinée.
• Selon la configuration décanteur :
– décanteur cylindro-conique,
– décanteur lamellaire,
– décanteur à lit de boue.
 3.1.2. Décantation classique
• Dans la pratique, les décanteurs sont dimensionnés à une
vitesse ascensionnelle de l’eau de l’ordre de 2 m/h en
débit moyen.
• Elle peut atteindre 4 m/h lors des débits de pointe, ce qui
permet de retenir les particules dont la taille est comprise
entre 2 μm et 1 cm.
• Les décanteurs primaires peuvent être circulaires ou
rectangulaires, à flux d’eau entrant horizontal ou vertical.
• Les décanteurs circulaires présentent l’avantage d’être
plus faciles à racler.
3.1.3. Décantation physico-chimique
• La décantation classique ne permet pas de traiter les
particules les plus fines, les colloïdes, dont le diamètre est
compris entre 3 et 200 nm.
• En effet, les colloïdes ne décantent pas spontanément et
cela pour deux raisons :
– vitesses de chute trop faibles
– Charges négatives engendrant des forces de répulsion entre les
particules.
• La décantation simultanée des colloïdes avec les MES est
rendue possible par l’ajout de produits chimiques qui
neutralisent ces charges et alourdissent l’amas.
3.1.3. Décantation physico-chimique
• La décantation physico-chimique comprend
trois étapes.
– Coagulation
– Floculation
– Decantation
3.1.3. Décantation physico-chimique
• La coagulation
– La coagulation consiste à introduire dans l’eau un produit
capable :
• de décharger les colloïdes généralement électronégatifs présents
dans l’eau, de donner naissance à un précipité.
– Les coagulants principalement utilisés sont à base de sels
d’aluminium ou de fer.
– On peut également, dans certains cas, utiliser des produits de
synthèse, tels que les poly-électrolytes cationiques.
– Le sel métallique agit sur les colloïdes de l’eau par
l’intermédiaire de cations qui neutralisent les charges
négatives avant de précipiter.
3.1.3. Décantation physico-chimique
• La floculation
– La formation du floc étant amorcée par l’introduction du
coagulant, il est nécessaire d’accroître son volume, son poids
et surtout sa cohésion.
– Le grossissement du floc est favorisé par :
• une coagulation préalable aussi parfaite que possible,
• un brassage homogène et lent de l’ensemble,
• l’emploi de certains produits appelés floculants.
– On peut distinguer les floculants par:
• leur nature: minérale ou organique,
• leur origine: synthétique ou naturelle,
• le signe de leur charge électrique: anionique, cationique
3.1.3. Décantation physico-chimique
• Décantation
– Une fois ces deux phases de traitement chimique
effectuées, l’effl uent est conduit dans un
décanteur, généralement lamellaire.
 3.1.4. Type de décantation
• Décanteur cylindro-conique
 3.1.4. Type de décantation
• Décanteur lamellaire
 3.1.4. Type de décantation
• Décanteur
 3.2. Clarificateur
• Cette opération permet de séparer l’eau épurée et les boues
ou les résidus secondaires issus de la dégradation des
matières organiques.
• Cette décantation est opérée dans des bassins spéciaux, les
clarificateurs.
• L’eau épurée peut alors être rejetée dans le milieu naturel.
• Les boues récupérées en fond d’ouvrage sont:
– pour une part renvoyées vers le bassin d’aération pour y maintenir
la concentration voulue en micro-organismes épuratoires
– pour l’autre part extraites et envoyées sur la ligne de traitement
des boues.
 3.3. Flottation
• La flottation fait appel à la différence entre la
masse volumique de la particule et celle du
liquide dans lequel ils sont en suspension.
• Ce procédé ne s’applique qu’à des particules
dont la masse volumique est inférieure à celle
du liquide qui les renferme.
– Si la masse volumique est réelle: flottation naturelle.
– Si la masse volumique est apparente: flottation
provoquée.
 3.3. Flottation
• Les flottateurs se distinguent les uns des
autres par leur système d’insufflation d’air.
• Trois principaux schémas de flottation sont
notés :
– la flottation par l’air dissous avec pressurisation de
la totalité ou d’une partie du débit d’alimentation
– la flottation par air dissous avec pressurisation
d’un débit de recyclage
– la flottation par air induit
3.3. Flottation
 3.4. Neutralisation
• Avant rejet ou avant un stade de traitement
biologique, il importe de ramener le pH à une valeur
neutre (pH≈7.0).
• La neutralisation des eaux acides se fait par ajout de
soude, de chaux ou de carbonate de sodium.
• En raison de son bas prix, c’est la chaux qui est le
réactif le plus fréquemment utilisé dans le cas des
eaux basiques.
• La neutralisation des eaux basiques se fait quant à
elle par ajout d’acides forts (H2SO4, HCL).
 3.4. Neutralisation
• Pour une activité optimum des bactéries, le pH dans le
bassin d’égalisation doit être compris entre 6.5 et 8.5.
• La biodégradabilité assure elle-même une
neutralisation et un effet tampon par suite de la
production de CO2.
• Les procédés cités ne sont efficaces que si l’addition
est étagée :
– mise en place de deux réacteurs en série avec
éventuellement un troisième pour tamponner toutes
fluctuations résiduelles de pH.
 3.5. Bassin d’égalisation
• La régulation du débit hydraulique et de la charge
polluante est aussi souvent recherchée par:
– l’emploi de bassins dérivés, qui stockent les eaux de pluies
entraînant et diluant les polluants.
• Le but des bassins est alors de ne pas dimensionner la chaîne de
traitement en fonction des pointes épisodiques de débit.
– l’emploi de bassins d’homogénéisation, stockant pendant
un temps donné la totalité des effluents produits par une
unité ou par toute l’usine.
• Le but est d’écrêter les pointes de pollution afin d’éviter des
surcharges de concentration nuisibles au fonctionnement régulier
de la chaîne d’épuration.
• Ils permettent aussi un certain degré de prévision dans
l’exploitation .
 3.5. Bassin d’égalisation
• En définitive, dans le traitement des eaux usées industrielles
les objectifs visés sont les suivants :
– empêcher les augmentations de charge et de concentration sur les
procédés biologiques ;
– bénéficier d’une neutralisation réciproque partielle des
composantes de l’eau pour réduire par là, les frais consentis pour les
réactifs de neutralisation ;
– empêcher les hausses brutales de débits sur les procédés physico-
chimiques de traitement en vue de faciliter l’introduction des
réactifs.
– assurer une alimentation continue ;
– réduire les risques d’envoyer des eaux contenant une teneur élevée
en éléments toxiques vers les stations d’épuration biologique.
 4. Traitement secondaire
• Le traitement secondaire fait appel aux procédés
biologiques.
• Il permet l’élimination des matières organiques
dissoutes par des bactéries aérobies ou anaérobies.
• Les bactéries aérobies tirent leurs besoins
énergétiques de la matière organique en présence
d’oxygène.
• Les procédés les plus couramment mis en œuvre
pour la dépollution des rejets industriels sont du
type aérobie.
4. Traitement secondaire
 4. Traitement secondaire
• On distingue :
– les procédés aérobies utilisant une culture bactérienne libre en
suspension:
• épuration par boues activées
• Les réacteurs biologiques séquentiels (SBR)
• lagunage naturel et aéré
– les procédés aérobies utilisant une culture bactérienne fixée
sur un support:
• épuration par lits bactériens
• bio filtration
– On note de plus en plus de l’application de procédés
d’épuration anaérobie de méthanisation pour les pollutions
organiques concentrees
 4.1. Boue activee
• Principe
– Il réside dans une intensification des processus d'auto-
épuration que l'on rencontre dans les milieux naturels.
– Le procédé “boues activées” consiste à mélanger et à
agiter des eaux usées brutes avec des boues activées
liquides, bactériologiquement très actives.
– La dégradation aérobie de la pollution s'effectue par
mélange intime des microorganismes épurateurs et de
l'effluent à traiter.
– Ensuite, les phases “eaux épurées” et “boues épuratrices”
sont séparées
 4.1. Boue activee
• Une installation de ce type comprend les étapes
suivantes :
– les traitements préliminaire et, éventuellement, primaire ;
– le bassinbassin d'aération;
– le décanteur secondaire;
– l'évacuation des eaux traitées ;
– les digesteurs des boues en excès
 4.1. Boue activée
• Schéma de principe
 4.1. Boue activee
• Performances
 4.1. Boue activée
• Bases de dimensionnement
– Charge massique : ≤ 0,1 kg DBO5/kg MES.j ;
– Charge volumique : ≤ 0,35 kg DBO5/m .j ; 3

– Concentration de boues : 4 à 5 g MS/l ;

– Temps de séjour : 24 heures environ ;
– Besoins en O2 : de l'ordre 1,8 kg O2/kg DBO5
éliminée ;
– Puissance de brassage:
• 3 à 10 W/m pour les brasseurs;
3

• 10-20 W/m pour les systèmes d'aération de fines bulles

3

d'air.
 4.2. Réacteurs biologiques séquentiels
• Le procédé des réacteurs biologiques séquentiels est
plus utilisé en assainissement industriel qu’en
assainissement collectif.
• Ce procédé permet de réaliser toutes les étapes dans
un seul bassin par alternance de six séquences
différentes.
• L’ensemble des séquences dure de quatre à douze
heures.
 4.2. Réacteurs biologiques séquentiels
• Etapes
– Remplissage : alimentation du bassin en eau usée.
– Mélange : aération et brassage.
– Traitement biologique : élimination des pollutions
dissoutes.
– Décantation : clarifi cation par décantation des
matières en suspension.
– Vidange : évacuation de l’eau traitée.
– Repos : repos du milieu bactérien et extraction des
boues en excès.
4.2. Réacteurs biologiques séquentiels
 4.3. Lit bactérien
• Principe
– Il consiste à faire ruisseler les eaux usées, préalablement
décantées sur une masse de matériaux poreux ou
caverneux servant de support aux micro-organismes.
• Procédé d’épuration à biomasse fixée
• Ruissellement de l’effluent sur un support inerte poreux
• Aération naturelle ou forcée
 4.3. Lit bactérien
• Schéma de principe
 4.3. Lit bactérien
• Performances
 4.3. Disques biologiques
• Principe
– Cette technique fait appel aux cultures fixées sur
des disques biologiques tournants
– Les micro-organismes se développent et forment
un film biologique épurateur à la surface des
disques.
– Les disques étant semi-immergés, leur rotation
permet l'oxygénation de la biomasse fixée.
– Il convient, sur ce type d'installation, de s'assurer :
• de la fiabilité mécanique de l'armature
• du dimensionnement de la surface des disques
 4.4. Disques biologiques
• Schéma de principe
4.5. Comparaisons des differentes techniques
biologiques
 5. Traitement tertiaire
• C’est une étape facultative liée à la finalité de
l’eau traitée:
– Rejet des eaux dans une zone sensible
– usage particulier :
• Zone de baignade,
• Zone conchylicole,
• Irrigation agricole,
• besoins urbains (arrosage, reseaux RI),
• usage industriel (refroidissement, formulation en BTP).
 5. Traitement tertiaire
• Un traitement tertiaire consiste par exemple à
éliminer:
– le phosphore résiduel
– les micropolluants chimiques (molécules) ou
biologiques (micro-organismes) encore présents
dans les eaux traitées et qui menacent ou
interdisent les usages envisagés.
– Dans le cas des micropolluants biologiques, on
parle de “désinfection” de l’eau lorsqu’il s’agit d’en
diminuer la charge bactérienne et virale.
 5.1. Déphosphatation
• Il s’agit d’une précipitation des phosphates par
du chlorure ferrique sous la forme d’un
phosphate de fer. Cela se fait:
– Soit en recirculant une portion d’eau après
traitement biologique vers la décantation primaire
physico-chimique,
– soit au sein d’une unité spécifique de clarifl oculation.
• Ce précipité est piégé avec les boues primaires
dans le premier cas, séparé de l’eau par
décantation lamellaire dans le second cas.
5.2. Elimination des micropoluants chimiques

• Filtration sur sable

• Adsorption sur charbon actif
• Séparation membranaire
• Lagunage
5.2. Elimination des micropoluants chimiques

• Schéma de principe de la filtration à sable

5.2. Elimination des micropoluants chimiques

• Schéma de principe de l’adsorption sur

charbon actif.
5.2. Elimination des micropoluants chimiques

• Séparation membranaire
– L’eau traverse une membrane et en ressort sans les
molécules qui ont été arrêtées par les pores.
– Ces molécules se retrouvent dans une solution
appelée “rétentat” ou “concentrat”, tandis que l’eau
clarifiée constitue le “perméat”.
– Les membranes peuvent être céramiques ou
organiques, et de quatre types : tubulaires, à fibres
creuses, spiralées ou à plaques.
– la taille des pores va de plusieurs milliers de
nanomètres à moins d’un nanomètre.
5.2. Elimination des micropoluants chimiques

• Séparation membranaire
 5.3. Désinfection
• Désinfection chimique
– Chloration
– Ozonation
• Désinfection physique
– UV
5.4. Lagunage