TPE – Le traitement des eaux Problématique: « Comment l’eau de notre chasse d’eau arrive-t-elle dans notre verre d’eau? » Reuben Aboagye, Matéo Moreau & Quentin Pierre

Chronologie des étapes Dans la station, l’épuration suit plusieurs étapes. On peut diviser ces étapes en catégories: Les procédés physiques (en rouge) Les procédés chimiques (aussi appelé physico-chimique, en orange) Les procédés biologiques (en vert) Dans notre présentation, nous aborderons les étapes dans un ordre thématique. La chronologie de la présentation ne suit donc pas exactement la chronologie des procédés de la station.

LES Traitements physiques Les traitements physiques sont tous les procédés qui utilisent la gravité et la mécanique pour séparer l’eau de la pollution. Partie I LES Traitements physiques

1.Le relèvement et le dégrillage D’abord, lors de leur arrivée à la station, les eaux usées sont relevées par trois vis d’Archimède de débit unitaire de 1m3/s puis passent à travers des grilles qui retiennent les déchets les plus volumineux qui risquent de gêner et d’endommager les installations. La grille permet de retenir des déchets de plus de 10mm ce qui représente 200 tonnes de déchets par an. Le tapis roulant en surface récupère les déchets qui seront incinérés à la décheterie. Les eaux sont relevées grâce a des vis d’Archimède… …puis les plus gros déchets sont retenus par des grilles.

2.Le dessablage Ensuite, on emploie un procédé de dessablage, qui a comme objectif de retirer les sables en suspension dans l’eau. Pour cela, de l’air est insufflé dans un bassin spécifique afin de séparer le sable de l’eau. Ainsi, le sable décante plus facilement au fond de l’ouvrage. Les graisses sont entrainées à la surface en même temps que le sable décante.

3. Le dégraissage et déshuilage Dans le même bassin que le dessablage, les graisses présentes dans l’eau sont entraînées en surface par les bulles d’air. L’eau va ensuite dans un deuxième bassin, dans lequel elle va reposer. Les huiles vont alors remonter à la surface de l’eau et se joindre aux graisses. Le tout forme une couche qui va déborder du bassin, c’est le dégraissage et le déshuilage. Ces matières organiques vont être récupérées pour former des boues, qui seront ensuite revalorisées. L’eau quant à elle va passer dans une conduite en dessous du bord, pour être dirigée vers l’ouvrage de décantation lamellaire. Les graisses et les huiles remontent à la surface. Cette couche va être séparée de l’eau par débordement. L’eau est alors redirigé vers le bassin de décantation lamellaire.

4. La décantation lamellaire L’eau arrive donc dans le bassin de décantation lamellaire. La décantation lamellaire permet d’éliminer de 45% à 65% des matières en suspension dans l’ eau. C’est un procédé qui agit comme une décantation classique, sauf qu’on y ajoute des lames inclinées. Ainsi, les lamelles vont bloquer des particules pour former des boues qui sont récupérées au fond du bassin et refoulées vers les ouvrages de recyclage des boues, ce qui va permettre de les revaloriser dans des domaines agricoles. L’eau est ensuite dirigée vers les ouvrages de traitement biologique. Les matières en suspension se déposent sur des lames inclinées puis sont récupérées au fond du bassin.

5. La clarification Le clarification est une des dernières étapes de l’épuration des eaux usées. Elle a lieu après les traitements biologiques. Le clarificateur doit séparer l’eau des boues résiduelles. Nous pouvons voir sur le schéma que le clarificateur est un grand bassin circulaire dans lequel les boues décantent. Elles sont ensuite aspirées par des tubes suceurs qui font progressivement le tour du bassin. Ces boues seront aussi revalorisées. L’eau, quant à elle, déborde de l’ouvrage puis est dirigée vers les installations de traitement du phosphore. Intervenant après le traitement biologique, elle consiste à séparer les boues des eaux en faisant decanter la boue et déborder l’eau des bords de l’ouvrage.

LE Traitement Biologique Tout traitement biologique dans le cadre du traitement des eaux consiste à utiliser des bactéries ou d’autres micro-organismes pour éliminer un certain type de pollution. Partie II LE Traitement Biologique Traitement biologique = bactéries → élimination polluants

Le traitement biologique Dans le cas de la station d’épuration de Maxéville, le traitement biologique sert à éliminer la pollution azotée, c’est-à-dire la pollution liée à l’urine (principalement les molécules d’ammonium et d’ammoniac dans l’eau) Ce traitement a lieu en trois étapes: premièrement une étape de dénitrification, l’anoxie qui permet d’enlever les nitrites et nitrates en amont de la nitrification, puis la nitrification grâce à l’ouvrage du Biolift et enfin une dénitrification en aval pour éliminer les nitrites et nitrates générés par la nitrification. Dénitrification (Anoxie amont) Nitrification (Biolift) Dénitrification (Anoxie avale) But = élimination pollution azotée (→ urine)

Biolift - Nitrification La nitrification consiste à transformer les molécules d’ammonium et d’ammoniaque en nitrites ou nitrates. A la station de Maxéville, la nitrification est faite grâce à un processus unique appelé le Biolift. C’est la seule station à utiliser ce procédé, très peu de documentation est donc disponible. Le fonctionnement de l’ouvrage est très complexe, l’explication que nous apportons sur le Biolift est donc simplifiée par rapport au fonctionnement de départ. Dans un premier temps, l’eau entre dans un tube appelé « Air Lift colonne », dans lequel des grains de sable restent en suspension, en envoyant de l’air depuis le bas de la colonne. C’est grâce à ces grains de sable que tout le processus de Nitrification aura lieu: des bactéries sont cultivées sur les grains de sable, et c’est elles qui assurent la Nitrification. En maintenant les grains de sable en suspension, les bactéries peuvent agir sur plus de volume, d’où l’intérêt de les répartir tout le long de la colonne grâce à l’air envoyé. Après être sortie de la colonne, une partie de l’eau va subir le procédé une seconde fois, l’autre partie est dirigée hors de l’ouvrage, vers l’étape de dénitrification. Sortie de l’eau Une partie de l’eau revient dans la colonne Colonne d’eau avec des grains de sable en suspension grâce à de l’air insufflé par le dessous Entrée d’eau

La nitrification Transformation de l’ammoniaque en nitrites (NO2-) De manière générale, le processus de nitrification se déroule de la manière suivante: L’ion ammonium (NH4+) réagit avec l’eau naturellement pour former une molécule d’ammoniaque (NH3) et un ion Hydronium (H3 O+ ) Grâce aux bactéries, le molécule d’ammoniaque s’associe avec une molécule de Dioxygène pour former 2 molécules de nitrite (NO2-) , 2 molécules d’eau et 2 ions Hydrogène Ensuite, il arrive parfois que les bactéries transforment les nitrites en nitrates (NO3-): en faisant réagir 2 ions nitrites et une molécule de Dioxygène, pour former 2 ions nitrates. Transformation naturelle de l’ion ammonium (NH4+) en ammoniaque (NH3) Transformation de l’ammoniaque en nitrites (NO2-) Transformation des nitrites en nitrates (NO3-)

Anoxies - Dénitrification En amont et en aval de la nitrification, on effectue des dénitrifications grâce aux ouvrages d’anoxies. La dénitrification est le processus qui consiste à transformer les nitrates et nitrites dissous dans l’eau en diazote, qui va s’échapper dans l’air. Les atomes d’azote vont donc être enlevés de l’eau. Ainsi, on va placer l’eau polluée dans un bassin en anoxie, c’est-à-dire sans dioxygène. Dans ce bassin, des bactéries spécifiques avec un haut besoin en oxygène sont aussi présentes. Les bactéries ne vont alors pas pouvoir répondre à leur besoin en oxygène grâce à l’air, elles vont donc en prélever dans les molécules en présence: c’est-à-dire les nitrites et nitrates. Bactéries Besoin en oxygène Anoxie = Milieu sans O2 Bactéries obligées de prélever l’oxygène d’autres molécules Nitrates (NO3) / Nitrites (NO2) Perte atome Oxygène Transformation NO

Anoxies - Dénitrification En prenant l’oxygène des nitrates et des nitrites, les bactéries vont entraîner une chaîne de transformation: Les Nitrates (NO3) vont perdre un atome d’oxygène pour se transformer en Nitrites (NO2) Puis les Nitrites vont aussi perdre un atome d’oxygène pour se transformer en Monoxyde d’azote (NO) Ensuite, les monoxydes d’azotes s’assemblent deux à deux pour perdre un atome d’oxygène: on a alors deux atomes d’azote et un atome d’oxygène qui restent, c’est une molécule d’oxyde Nitreux (N2O). Enfin, l’oxyde nitreux va perdre son atome d’oxygène pour se transformer en diazote, qui va s’échapper dans l’air (il est présent naturellement dans l’air, à environ 78%, il est donc sans danger de le rejeter) Le processus de dénitrification est alors terminé, la pollution azotée a été retirée. Nitrates NO3 Nitrites NO2 Monoxyde d’azote NO Oxyde Nitreux N2O Diazote N2 Transformations successives des nitrates jusqu’au diazote

Traitement physico-CHIMIQUE Les traitements physico-chimiques sont les traitements qui utilisent à la fois des processus physiques (comme des décantations etc…) et des traitements chimiques, en ajoutant des réactifs. Dans la station de Maxéville seul le traitement du phosphore nécessite un traitement chimique. Partie III Traitement physico-CHIMIQUE

Le traitement du phosphore Nous allons donc étudier les étapes du traitement du phosphore dans la station. Ce traitement permet d’éliminer en grande partie les phosphates présents dans l’eau. C’est le traitement final dans la station, il a lieu juste avant le rejet de l’eau, après les traitements physiques et biologiques. L’élimination du phosphore se déroule en trois étapes successives: la coagulation, la floculation, puis la décantation lamellaire. Lors du traitement du phosphore, un problème se pose, qui empêche d’utiliser directement une décantation: le phosphore est présent sous forme de colloïdes, c’est-à-dire des particules au diamètre extrêmement faible (de l’ordre de 1nm à 1µm). Les colloïdes ont aussi une autre particularité: elles sont chargées électronégativement, ce qui crée des répulsions électrostatiques entre elles, et les empêche donc de décanter. On utilise donc tout d’abord, un procédé de coagulation. Il permet de neutraliser les charges électronégatives des colloïdes en y ajoutant des réactifs. Cela permet alors d’annuler les répulsions électrostatiques. Ainsi, dans le cas du traitement du Phosphore, on injecte dans le bassin du chlorure ferrique (FeCl3) et du chlorosulfate ferrique (FeClSO4) en tant que réactifs. En agitant la solution, cela permet la formation d’un précipité d’orthophosphate de Fer III(FePO4). Réactions entre les ions ferriques et les phosphates: FeCl3 + NaH2PO4 → FePO4 + NaCl + 2HCl FeClSO4 + NaH2PO4 →FePO4 + NaCl + H2SO4 Ensuite, on utilise une étape de floculation. La floculation permet de grossir la taille des molécules pour les rendre plus lourde et faciliter la décantation. Ainsi, on injecte des réactifs appelés « floculants » dans l’eau. Leur géométrie permet de se fixer aux colloïdes et ainsi de former ce qu’on appelle des flocs, des amas de molécules dont les masses sont alors suffisantes pour décanter. Enfin, on utilise une décantation lamellaire (aussi utilisée lors du traitement physique) pour séparer le phosphore piégé dans les flocs de l’eau épurée. L’eau peut ensuite être rejetée dans la Meurthe.  

Conclusion Grâce aux différents procédés, la plupart des polluants ont été retirés. La protection de l’éco-système de rejet (la Meurthe) est assurée. Comment fonctionnent les stations d’assainissement?